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I

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DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e. V.

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Reduções de energia e GEE na indústria

química via processos catalíticos

Roadmap de Tecnologia

Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticosII

INTERNATIONAL ENERGY AGENCY

A Agência Internacional de Energia (AIE) é uma agência autônoma estabelecida em novembro de 1974. Seu mandato básico era, e continua a ser, duplo: promover a segurança energética dos países-membros por meio de respostas coletivas às interrupções físicas do abastecimento de petróleo e fornecer pesquisas e análises bem fundamentadas sobre as maneiras de assegurar energia de maneira confiável, acessível e limpa para seus 28 países-membros, bem como para outros países. A AIE realiza um amplo programa de cooperação energética entre os países-membros, e cada um deles é obrigado a manter um estoque de petróleo equivalente a 90 dias de suas importações líquidas. INTERNATIONAL COUNCIL OF CHEMICAL ASSOCIATIONS

O Conselho Internacional de Associações Químicas (ICCA) funciona como a voz mundial da indústria química e promove a adoção de melhores práticas, tais como o Responsible Care ® (Atuação Responsável®) em toda a indústria química. As metas do ICCA incluem a redução em todo o mundo do uso de energia e de emissões de gases de efeito estufa (GEE) relativos à fabricação de produtos químicos e o aumento do impacto positivo de seus produtos em termos de redução de emissões ao longo da cadeia de valor.

DECHEMA GESELLSCHAFT FÜR CHEMISCHE TECHNIK UND BIOTECHNOLOGIE E. V.

A DECHEMA – Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (Sociedade de Engenharia Química e Biotecnologia) é uma sociedade científica e técnica sem fins lucrativos com sede em Frankfurt, Alemanha. Tem mais de 5.500 membros privados e institucionais, entre eles cientistas, engenheiros, companhias, organizações e institutos. A DECHEMA visa à promoção e ao apoio à pesquisa e ao progresso tecnológico na tecnologia química e na biotecnologia. A DECHEMA considera-se uma interface entre a ciência, a economia, o Estado e o público.

This roadmap is the result of a collaborative effort among the International Energy Agency (IEA), the International Council of Chemical Associations (ICCA) and Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.

(DECHEMA).

This paper reflects the views of the IEA Secretariat, ICCA and DECHEMA but does not necessarily reflect those of their respective individual Member countries, or funders or member industrial and academic experts. The roadmap

does not constitute professional advice on any specific issue or situation. ICCA, DECHEMA and the IEA make no representation or warranty, express or implied, in respect of the roadmap’s contents (including its completeness

or accuracy) and shall not be responsible for any use of, or reliance on, the roadmap. For further information, please contact: [email protected].

Copyright © 2014 OECD/IEA, 9 rue de la Fédération, 75739 Paris Cedex 15, France

and The International Association for Chemical Associations, Avenue E. Van Nieuwenhuyse 4, box 1, B-1160 Brussels,

Belgium and

Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA), Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main

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The Portuguese translation of the Chemicals Catalyst Roadmap has been translated from its English text which is

the official version of this publication.

1

As tendências atuais do fornecimento e do uso de energia são insustentáveis – econômica, ambiental e socialmente. Na ausência de ações decisivas, as emissões de dióxido de carbono (CO2) relacionadas à energia mais que dobrarão até 2050, e o crescimento da demanda de energia fóssil aumentará as preocupações com a segurança do fornecimento.

PrefácioNós podemos e precisamos mudar o atual rumo, mas isso precisará de uma revolução energética, e as tecnologias energéticas de baixo carbono terão um papel crucial a desempenhar. A eficiência energética, os diversos tipos de energia renovável, a captura e o armazenamento de carbono (CAC), a energia nuclear e novas tecnologias de transporte precisarão ser amplamente disseminados, se quisermos atingir nossas metas de redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE). Todos os principais países e setores da economia precisam estar envolvidos. A tarefa é urgente, se quisermos ter certeza de que as decisões de investimento tomadas agora representam o “ótimo” de longo prazo para a eficiência energética e a redução de GEE. O papel dos países em desenvolvimento, que estão impulsionando o crescimento futuro, requer um foco especial em qualquer roadmap futuro.

Está crescendo a conscientização de que é necessário transformar as afirmações políticas e os trabalhos analíticos em ações concretas. Para lançar a centelha inicial deste movimento, e a pedido do G8, a Agência Internacional de Energia (AIE) está liderando o desenvolvimento de uma série de roadmaps para algumas tecnologias dentre as mais importantes. Identificando os passos necessários para acelerar a implementação de mudanças tecnológicas radicais, esses roadmaps permitirão que os governos, a indústria e os parceiros econômicos façam escolhas acertadas. Isso, por sua vez, ajudará as sociedades a tomar as decisões certas.

A indústria química é uma grande usuária de energia, porém os produtos e as tecnologias químicas também são usados em uma ampla gama de aplicações de economia de energia ou de energias renováveis, de modo que a indústria também desempenha o papel de poupar energia. O setor químico e petroquímico é de longe o maior usuário industrial de energia, respondendo por cerca de 10% da demanda final mundial de energia e por 7% das emissões globais de GEE. O Conselho Internacional de Associações Químicas (ICCA) associou-se à AIE e à DECHEMA (Sociedade de Engenharia Química e Biotecnologia) para descrever o caminho para mais melhoramentos em eficiência energética e redução de GEE no setor químico.

Este roadmap focaliza o papel dos processos catalíticos na redução do uso de energia e das emissões de GEE no setor químico. Cerca de 90% dos processos químicos usam catalisadores para maior eficiência de produção. A catálise é uma importante fonte de base tecnológica com potencial de melhoramento de eficiência. Efetivamente, este trabalho mostra um potencial de economia de energia que se aproximará de 13 EJ (exajoules) no ano 2050, equivalente ao atual uso anual de energia primária na Alemanha.

Para concretizar a visão e os impactos descritos neste roadmap, serão críticas as ações coordenadas e realizadas a longo prazo por todos os envolvidos. Os governos podem ajudar a criar um ambiente propício, que encoraje ganhos adicionais em eficiência energética e reduza as emissões referentes à energia. A indústria pode fornecer um foco nas principais oportunidades, destacar as prioridades a serem apoiadas, acelerar tanto os investimentos de capital como a pesquisa e desenvolvimento (P&D) e solicitar a continuação de colaborações bem focadas com a academia e instituições de pesquisa sobre esses relevantes desafios industriais. Esperamos que este roadmap encoraje tanto os governos quanto a indústria a dar esses passos e a trabalhar juntos para alcançar essas metas.

Maria van der Hoeven Diretora Executiva

Agência Internacional de Energia (AIE)

Yoshimitsu Kobayashi CEO Patrocinador de Energia e Mudanças Climáticas Conselho Internacional de Associações Químicas (ICCA)

Rainer Diercks Presidente do Conselho da DECHEMA

Este relatório é o resultado de um esforço colaborativo entre a AIE, seus países-membros e vários consultores e peritos de todo o mundo. Os usuários deste relatório farão suas próprias decisões de negócios, por sua conta e risco e, em par-ticular, sem depositar confiança excessiva neste relatório. Nada neste relatório constitui aconselhamento profissional e não se dá nenhuma garantia, explícita ou implícita, quanto à integralidade ou exatidão de seu conteúdo. A AIE, o ICCA e a DECHEMA não aceitam absolutamente nenhuma responsabilidade por quaisquer danos diretos ou indiretos resultan-tes do uso deste relatório ou de seu conteúdo. Uma ampla gama de peritos revisou as minutas. Entretanto, os pontos de vista expressos não necessariamente representam os pontos de vista ou as políticas da AIE ou de seus países-membros.

Prefácio

Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos2

Sumário

Comparação de abordagens, limites e cobertura de processos dos modelos AIE e DECHEMA 9

Consumo global de energia versus volumes de produção dos 18 principais produtos químicos de grande volume, 2010 13

Emissões globais de GEE versus volumes de produção dos 18 principais produtos químicos de grande volume, 2010 14

Síntese da amônia: esquema simplificado 14

Inovação na síntese de amônia e eficiência energética 16

Evolução da intensidade de energia para melhoramentos incrementais e implementação de BPT 17

Impacto energético das opções de melhoramento para os 18 principais produtos até 2050 18

Impacto sobre os GEE das opções de melhoramento para os 18 principais produtos até 2050 18

Figura 1.

Figura 2.

Figura 3.

Figura 4.

Figura 5.

Figura 6.

Figura 7.

Figura 8.

Lista de figuras

Prefácio 1

Agradecimentos 4

Ações-chave para os próximos dez anos 5

Constatações-chave 5

Introdução 6

Situação atual do uso de energia e emissões de GEE 12

Oportunidades tecnológicas 17

Melhoramentos incrementais 19

Implementação de tecnologias da melhor prática (BPT) 19

Tecnologias emergentes 20

Tecnologias de ruptura 22

Ações e marcos tecnológicos 29

Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados 31

Cenários da AIE: catálise e mais... 32

Cenários da DECHEMA 36

Necessidades de recursos 40

Outras áreas relacionadas a processos catalíticos 42

Emissões evitadas na fase de uso 44

Políticas, finanças e colaboração internacional: ações e marcos 46

Políticas de apoio a pesquisa e desenvolvimento 46

Assegurar financiamento, inclusive incentivos em momentos apropriados 47

Políticas para promover colaboração internacional e compartilhamento de dados, informações, melhores práticas e P&D 47

Políticas de regulamentação 48

Colaboração entre as partes interessadas, inclusive parcerias público-privadas 48

Conclusão: ações de curto prazo para as partes interessadas 50

Anexos 51

Glossário 52

Referências 55

3Sumário

Passos do processo de obtenção de hidrogênio por decomposição da água 23

Demanda adicional de energia versus economias de energia fóssil pela substituição dos atuais processos de amônia e metanol pelas rotas baseadas em hidrogênio 24

Economias de GEE possibilitadas pela produção de amônia e metanol com base em hidrogênio 25

Uso de energia para as rotas de biomassa versus fóssil para fabricação de HVC, incluindo a cadeia de processos total 26

Uso de energia de biomassa versus fóssil das rotas comparadas na Figura 12 27

Impacto das rotas de biomassa para olefina sobre o consumo de energia da indústria química 27

Emissões de GEE para rotas de biomassa versus fósseis para HVC, incluindo a cadeia de processos total 28

Previsão de volumes de produção química entre 2010 e 2050 31

Atual potencial de economias de energia para produtos químicos e petroquímicos, com base na implementação de BPT 33

Impacto potencial de tecnologias de redução de emissões diretas de CO2, 2DS versus 6DS 34

Economias de energia por região no Caso de Baixa Demanda 36

Potencial de economia de energia por meio de avanços em catalisadores e processos relacionados em todas as categorias 37

Potencial de emissões evitadas de GEE por meio de avanços em catalisadores e processos relacionados em todas as categorias em comparação a BAU 37

Impacto regional dos cenários incremental, BPT otimista e emergente da DECHEMA comparados a BAU 38

Consumo de energia por cenário para quatro diferentes regiões do mundo 39

Potencial impacto de GEE na fase de uso, utilizando-se o impacto das emissões diretas em BAU deste estudo e a taxa de impacto da McKinsey de 2,1 t de GEE economizadas por tonelada produzida 44

Colaboradores com os laços mais estreitos com o desenvolvimento de catálise e processos relacionados 49

Figura 9.

Figura 10.

Figura 11.

Figura 12.

Figura 13.

Figura 14.

Figura 15.

Figura 16.

Figura 17.

Figura 18.

Figura 19.

Figura 20.

Figura 21.

Figura 22.

Figura 23.

Figura 24.

Figura 25.

Lista de tabelas

Tabela 1.

Tabela 2.

Tabela 3.

Tabela 4.

Tabela 5.

Tabela 6.

Tabela 7.

Boxe 1.

Boxe 2.

Boxe 3.

Boxe 4.

Boxe 5.

Boxe 6.

Boxe 7.

Lista de boxes

Os catalisadores na indústria química: um alvo para a transformação 7

2DS do “Energy Technology Perspectives” da AIE 10

Cenários da DECHEMA 11

Exemplo histórico: Haber-Bosch mudou o paradigma para a síntese da amônia 15

De gás a líquidos a partir do gás de xisto 22

Casos de Baixa e Alta Demanda de produtos químicos da AIE 33

Captura e armazenamento de carbono (CAC) 35

Sumário de hipóteses para os cenários de implementação de BPT na indústria química 19

Sumário do impacto potencial dos catalisadores sobre energia e GEE em cenários de fabricação de produtos químicos 20

Principais oportunidades de desenvolvimento de catalisadores/ processos e necessidades tecnológicas 29

Marcos para melhoramentos tecnológicos dos principais processos 30

Economias de energia e redução de emissões projetadas para 2050 pelos dois modelos 32

Produção de produtos químicos de alto valor, amônia e metanol por cenário, em 2050 34

Principais barreiras 46


Este roadmap reúne contribuições de várias fontes; assim, os autores gostariam de agradecer àqueles que generosamente contribuíram, oferecendo sua perícia, experiência e pontos de vista. As primeiras contribuições de peritos em catálise de empresas e da academia, que responderam aos questionários, forneceram uma sólida base de informações industriais reais, pelo que agradecemos a todos que contribuíram.

Os autores tiveram a boa fortuna de receber as contribuições de 19 especialistas da indústria e de organizações não governamentais (ONG) no Workshop de Peritos em Catálise (7-9 set. 2011, Paris). Vários desses peritos continuaram a fornecer recomendações e ajuda na busca de informações durante a geração deste roadmap, o que foi muito apreciado. A lista de participantes desta oficina e de outras encontra-se no Anexo 11.1

Vários formuladores de políticas gentilmente forneceram contribuições no início dos trabalhos deste roadmap de catálise no Policy Workshop (23 jan. 2012, Bruxelas). Isso ajudou a entender os atuais esforços de melhoramento e as oportunidades de influência sobre outras indústrias, o contexto do apoio e a necessidade de opções e estruturas financeiras. Foi também ocasião de uma discussão franca sobre rotas e metas realistas de redução de energia e GEE.

Em um terceiro evento, o Workshop de Melhoramentos de Eficiência do Setor Químico: Roadmap Tecnológico e Opções de Políticas (8 maio 2012, Pequim), o trabalho beneficiou-se das contribuições de mais de 120 participantes. Gostaríamos de agradecer a nossos co-organizadores, a China Petroleum and Chemical Industry Federation (CPCIF), a Association

1. Extensos anexos a este roadmap encontram-se disponíveis online em: <http://iea.org/media/freepublications/technologyroadmaps/TechnologyRoadmapCatalyticProcessesAnnexes.pdf>; <www.icca-chem.org/en/Home/ICCA-initiatives/Energy--Climate-Change->; <www.DECHEMA.de/industrialcatalysis>.

of International Chemical Manufactures (AICM) e o China Business Council for Sustainable Development (CBCSD), por suas numerosas contribuições e colaborações.

Vários licenciadores forneceram contribuições e gostaríamos de agradecer especialmente a Bernd Langanke, aos colegas da Uhde e a Florian Pontzen, da Air Liquide, suas valiosas colaborações e comentários. Russel Heinen, da SRI (atual IHS), forneceu colaborações inestimáveis. Agradecemos a ele e a seus colegas as frutíferas discussões e os muitos dados que forneceram. Gostaríamos de agradecer aos contatos em associações-membros sua colaboração, especialmente ao American Chemistry Council (ACC), ao Conseil Européen de l’Industrie Chimique (Cefic) e à Japanese Chemical Industry Association (JCIA). Kevin Swift (ACC) e Moncef Hadhri (CEFIC), em especial, forneceram informações úteis sobre a história do impacto econômico e da intensidade energética. Vários colegas da Equipe Básica (ver a seguir) forneceram colaborações, revisões e considerável ajuda na organização das oficinas. Mais uma vez, gostaríamos de agradecer a eles a generosa contribuição.

Vários outros membros da equipe da AIE ofereceram ponderações e apoio, entre eles Araceli Fernandez Pales, Laszlo Varro e o ex-colega da AIE Jayen Veerapen. Os autores também gostariam de agradecer a Marilyn Smith a edição do manuscrito; a Annette Hardcastle, que ajudou a preparar o manuscrito; bem como à Unidade de Publicações da AIE; e em particular a Muriel Custodio, Astrid Dumond, Rebecca Gaghen, Cheryl Haines e Bertrand Sadin por sua assistência na edição, diagramação e produção.

Agradecimentos

Finalmente, muitos agradecimentos à Equipe Básica por sua liderança, dedicação e persistência.

Florian Ausfelder, DECHEMAAlexis Bazzanella, DECHEMAHans VanBrackle, ExxonMobilRegina Wilde*, BASFClaus Beckmann*, BASF

* Coordenador

Russel Mills*, Dow ChemicalEd Rightor*, Dow ChemicalCecilia Tam, AIENathalie Trudeau, AIEPeter Botschek, CEFIC

5

• A fabricação de 18 produtos (dentre milhares) responde por 80% da demanda de energia da indústria química e 75% das emissões de gases de efeito estufa (GEE).

• Os catalisadores e outros melhoramentos de processo relacionados poderiam reduzir a intensidade de energia2 desses produtos de 20% a 40% como um todo em 2050, combinando-se todos os cenários. Em termos absolutos, tais melhoramentos poderiam economizar até 13 exajoules (EJ) e 1 gigatonelada (Gt) de dióxido de carbono equivalente (CO2-eq) anuais no ano de 2050 versus um cenário de business as usual (BAU).3

• A curto e médio prazos (até 2025), os progressos constantes da implementação de melhoramentos incrementais e a adoção de tecnologias da melhor prática (BPT) poderiam proporcionar substanciais economias de energia e reduções de emissões em comparação com BAU.

• O atingimento de maiores reduções de energia e emissões exigirá o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias emergentes que ultrapassam a capacidade das atuais BPT.

• Um salto na redução do consumo de energia e das emissões de GEE do setor exigiria o desenvolvimento de tecnologias do tipo “mudança de paradigma”, tais como matérias-primas sustentáveis a partir de biomassa ou hidrogênio obtido de fontes renováveis de energia, que ainda não atingiram a maturidade comercial.

• Portanto são necessários a longo prazo investimento e apoio a pesquisa e desenvolvimento (P&D) para assegurar a continuação dos avanços em novas tecnologias.

Ações-chave para os próximos dez anosEntrar no caminho correto para alcançar as metas deste roadmap exige esforço imediato por parte de todos os envolvidos, tanto individualmente como em conjunto, para desenvolver estratégias de longo prazo e os respectivos mecanismos para estimular ações e medir o progresso.

Formuladores de políticas

• Desenvolver e implementar políticas para melhor recompensar os investimentos em eficiência energética e remover barreiras aos novos investimentos.

2. Energia usada por unidade de produto produzido.3. Um exajoule é igual a 1018 joules. Em 2010, os Estados Unidos

usaram 93 EJ de energia primária; e a Alemanha, 13,7 EJ.

• Criar um arcabouço de políticas de longo prazo, estimulando investimentos para revigorar os melhoramentos de catalisadores/processos, bem como P&D, para processos com alto consumo de energia.

• Introduzir políticas que possibilitem melhores práticas em regiões onde são construídas novas instalações, especialmente em países em desenvolvimento.

• Eliminar subsídios à energia que constituem barreiras ao uso de tecnologias energeticamente mais eficientes. No caso de BPT, podem ser necessárias políticas para superar barreiras de implementação, entre elas o alto custo de capital, desafios à substituição e investimentos concorrentes.

Indústria química

• Identificar as principais oportunidades relacionadas a catalisadores ou processos e acelerar P&D e investimentos de capital que melhorem a eficiência energética.

• Facilitar P&D sobre tecnologias de mudança de paradigma com parceiros para reduzir barreiras e custos operacionais.

• Promover cooperação mundial e regional para redução de energia e/ou emissões via associações da indústria.

Academia e organizações de pesquisa

• Empreender ou estimular pesquisa na academia ou em laboratórios nacionais sobre processos de grande volume ou alto uso de energia.

• Agir junto aos líderes da indústria para identificar as principais oportunidades de redução das barreiras técnicas.

Instituições financeiras

• Trabalhar juntamente com a indústria química para melhor entender as mudanças de necessidade de financiamento de um setor químico de baixo carbono e as oportunidades de financiamento de tal transição.

Constatações-chave

Constatação-chave


Mais de 95% de todos os produtos manufaturados se apoiam na química (ICCA, 2010). A química fornece soluções nas mais diversas áreas, tais como energia alternativa, transporte, comunicações, construção civil, fármacos e informática.

A produção da indústria química cobre três grandes áreas de produtos: produtos de base, especialidades químicas e produtos para o consumidor. Essas três áreas de produtos oferecem benefícios para consumidores, bem como para uma multidão de indústrias, incluindo um papel estratégico na geração, no uso e no armazenamento de energia. O setor químico é um viabilizador de crescimento na economia global e no desenvolvimento dos países emergentes.

Com vendas globais de 3 trilhões de dólares americanos, e 7 milhões de empregados em 2010, a indústria química é uma das maiores do mundo. Não é de se surpreender que a indústria química seja também um grande consumidor de energia. Cerca de 90% dos processos químicos envolvem o uso de catalisadores (substâncias adicionais que aumentam a velocidade da reação sem ser geralmente consumidas por ela) e processos relacionados, a fim de melhorar a eficiência da produção e reduzir o uso de energia, restringindo assim os níveis de emissão de GEE.

Em vista das preocupações com a sustentabilidade, com o crescente custo da energia e com as pressões concorrenciais, este roadmap para a indústria química e petroquímica (doravante chamada “indústria química”) investiga de que maneira os avanços nos processos catalíticos podem contribuir para aumentar ainda mais o uso eficiente de energia pelo setor e para reduzir a emissão de GEE.

No momento, a demanda global de energia para a indústria química é de 15 EJ por ano (EJ/ano), exceto as matérias-primas. Se elas forem incluídas, a indústria usa 42 EJ/ano e responde por cerca de 10% da demanda global de energia, ou 30% da demanda industrial total do mundo (AIE, 2012). Além disso, a indústria química gera 5,5% das emissões de CO2 (7% das emissões globais de GEE) e é responsável por 17% das emissões industriais de CO2 (20% das emissões industriais de GEE). O consumo de energia e as emissões de GEE relacionadas à fabricação de produtos são um dos principais focos. Em 2005, as emissões globais de GEE em toda a indústria química foram de 3,3 GtCO2-eq (+/- 25%), sendo 2,1 Gt na fabricação de produtos e 1,2 Gt na extração de matéria-prima ou combustível e nas fases de disposição (ICCA, 2009).

Apesar desses impactos negativos, o uso disseminado de muitos produtos (por exemplo isolamento, iluminação eficiente, materiais mais leves para automóveis e materiais avançados para tecnologias renováveis) já deu substanciais contribuições à redução da demanda de energia e das emissões em muitos setores. Um estudo compilando várias análises de ciclo de vida (ACV) mostrou que, para

cada unidade de carbono que o setor emitiu em 2005, ele possibilitou, com seus produtos e tecnologias, economias de 2,1 a 2,6 unidades de CO2-eq (em comparação com alternativas não químicas) (ICCA, 2009).

O setor tem um longo histórico de redução do consumo de energia e das emissões, fornecendo, ao mesmo tempo, soluções inovadoras. Desde 1974, a indústria química nos Estados Unidos melhorou sua intensidade de energia (consumo de energia por unidade de produção) em 50%. Desde 1990, o nível absoluto de emissões de GEE diminuiu em 13% (ACC, 2012).

Na Europa, a intensidade de energia de 2010 na indústria química estava 53,4% abaixo da de 1990 (CEFIC, 2012). Embora o setor seja intensivo em energia, sua própria extensão e escala (incluindo, em muitos casos, instalações de produção em grande escala) sugere que pequenas mudanças no consumo de energia e nas emissões de GEE ligadas a um processo químico específico podem ter impactos substanciais.

Ao investigarem as formas de reduzir o consumo de energia, bem como as emissões da indústria, as partes interessadas identificaram uma área com significativo potencial: avanços em processos catalíticos, ou seja, os esforços para estimular as reações químicas ao longo de toda a cadeia de fabricação de dado produto, de modo que o resultado desejado seja obtido com menos demanda de energia e menos emissões de GEE (Boxe 1). Este roadmap focaliza esse considerável potencial. Dada a complexidade do setor, o roadmap vai focalizar tanto a abordagem baseada em metas (modelo da AIE) quanto outra, que reflete a evolução esperada da indústria por uma perspectiva tecnológica (o modelo DECHEMA), sob diferentes cenários.

Os catalisadores desempenham um papel vital nos processos químicos, mas não são uma tecnologia isolada, como é o caso de muitas tecnologias em outros roadmaps tecnológicos da AIE. Quando um novo catalisador é usado para melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões de GEE, em geral não é implementado isoladamente, mas em conjunto com avanços correspondentes na tecnologia de processo, por exemplo um novo desenho de reator. Além disso, os processos de grande volume tendem a ser altamente integrados, o que torna difícil especificar o impacto do catalisador ou do passo catalítico sobre o uso de energia e as emissões do processo como um todo. Por essa razão, o roadmap não faz tentativa alguma de separar o impacto da catálise sobre unidades específicas em uma cadeia de processo determinada. Em lugar disso, o roadmap considera o melhoramento no consumo específico de energia (specific energy consumption – SEC) para o processo, possibilitado pelo melhoramento do catalisador e pelos melhoramentos subsequentes em outros passos vinculados a ele.

Introdução

7

Objetivos e escopoA fim de investigar até que grau os melhoramentos de processos catalíticos poderiam reduzir o consumo de energia e as emissões de GEE na indústria química, formou-se uma parceria entre a AIE, o ICCA e a DECHEMA para desenvolver um roadmap para:

• Fornecer informações fidedignas sobre o potencial de redução de consumo de energia e emissões de GEE por meio de melhoramentos de processos catalíticos.

• Identificar melhoramentos e grandes avanços da tecnologia de processos, bem como os caminhos para alcançá-los.

• Identificar obstáculos e as maneiras de reduzi-los ou superá-los.

• Fornecer responsavelmente aconselhamento aos formuladores de políticas e à indústria sobre a forma de viabilizar os resultados desejados.

Este roadmap fornece uma avaliação quantitativa dos principais processos catalíticos no setor químico e seu impacto sobre os 18 principais produtos (aqueles de maior volume). Descreve também alguns impactos sobre outros processos catalíticos por estimativas aproximadas, baseadas em informações publicamente disponíveis. Para um pequeno número de produtos em uso, o impacto é destacado qualitativamente ou usando-se exemplos ilustrativos.

AbordagemDois desafios-chave surgem ao tentarmos identificar oportunidades de reduzir o futuro consumo de energia e emissão de GEE na indústria química. Primeiro, há muitos produtos químicos que não são produzidos em um único processo de fabricação, mas por vários processos diferentes, que empregam diferentes rotas de reação (catalíticas e não catalíticas). Frequentemente o processo de produção também requer uma combinação de tecnologias, e algumas são parte integrante de um processo catalítico.

Boxe 1. Os catalisadores na indústria química: um alvo para a transformação

O ideograma chinês de “catalisador” é o mesmo que para “arranjador de casamentos”. Essa é uma boa descrição da função que o catalisador assume para os parceiros da reação. A contribuição de uma substância chamada “catalisador” estimula o aumento da velocidade de uma reação química, em geral por meio da facilitação de uma rota alternativa de reação com energia de ativação mais baixa. Ao contrário de outros reagentes que participam da reação, os catalisadores em geral não são consumidos no processo. Em alguns casos, eles podem participar de várias reações.

Os catalisadores dirigem as reações químicas rumo a um resultado específico e em geral possibilitam condições de processo mais fáceis de controlar, tais como temperaturas e pressões mais baixas ou maior rendimento. São essenciais para uma produção eficiente em muitos setores industriais: cerca de 90% dos processos químicos empregam catalisadores, assim como o fazem todos os processos de refino de petróleo (yoneyama, 2010).

Espera-se para 2012 que o mercado global de catalisadores dentro desses setores tenha atingido 16,3 bilhões de dólares (Freedonia Research), sendo que aqueles usados em processamento químico representam cerca de 75%; e os usados no refino de petróleo, os 25% restantes.

Mas o valor da catálise vai além dos processos de química ou de refinaria. Os catalisadores são usados em muitas outras aplicações industriais, por exemplo para reduzir a emissão de poluentes atmosféricos do gás de combustão em termoelétricas ou outras plantas industriais. Além disso, a catálise é a base de equipamentos e produtos usados na vida diária em diversas aplicações, tais como conversores catalíticos em automóveis, superfícies autolimpantes, controle de ar interior e detergentes de lavanderia eficazes em água fria.

Os catalisadores podem ser ou compostos dissolvidos na mistura de reação (catálise homogênea), ou então sólidos dispersos na mistura de reação ou colocados nas paredes do reator na forma de revestimento (catálise heterogênea). O uso de enzimas para transformações químicas é chamado de biocatálise.

Nem todas as aplicações de catalisadores têm como alvo a economia de energia ou a redução de GEE, e alguns têm somente um impacto indireto por esses critérios. Este roadmap focaliza essencialmente as áreas de maior impacto sobre energia e GEE no setor químico, mas evidentemente outras áreas têm também potencial para melhoramento da catálise e impactos adicionais.

Introdução


Assim, é difícil quantificar com precisão o grau em que uma única reação ou tecnologia contribui para o melhoramento da eficiência, ou em qual estágio isso ocorre. O segundo desafio é que a indústria está em constante evolução, muitas vezes com o objetivo de melhorar a eficiência. Historicamente conseguiram-se pequenos melhoramentos com regularidade. Devido à escala da indústria, alguns tiveram impactos substanciais.

Outros melhoramentos da reação ou da tecnologia são mais significativos, e ocasionalmente ocorre um grande avanço no catalisador ou na tecnologia que basicamente “muda o jogo”.

Este roadmap examina duas abordagens de projeção no futuro: ambas usam tecnologias de modelagem e baseiam-se em conhecimentos atuais. Ambos os modelos usam os mesmos dados sobre os volumes atuais de fabricação, bem como os atuais níveis de consumo de energia e emissões de CO2 para os produtos analisados. Mas os exercícios de modelagem da AIE e da DECHEMA seguem abordagens diferentes para projetar os impactos futuros e usam os dados e informações disponíveis de maneiras diferentes.

• O modelo da AIE é voltado para objetivos, seguindo a abordagem usada em sua publicação Energy Technology Perspectives 2012 (ETP 2012), visando a alcançar um cenário global em que o aumento médio de temperatura fique limitado a 2°C. Globalmente isso exige uma redução de 50% das emissões de CO2 referentes à energia em todo o setor de energia em comparação aos níveis de 2009. O modelo da AIE avalia a atual fatia da indústria química na demanda de energia e nas emissões globais e explora os caminhos tecnológicos necessários para alcançar um nível de redução em que a indústria como um todo dê sua justa contribuição para a meta global. Tal como na modelagem de outros setores, a abordagem do ETP considera uma ampla gama de tecnologias que podem influenciar dado setor. No caso da indústria química, as tecnologias consideradas incluem a aplicação de BPT, o melhoramento de membranas e processos de separação, o uso de biocombustíveis e a integração de instalações de captura e armazenamento de carbono (CAC) em plantas químicas. A AIE considera em seguida como as políticas poderiam estimular as ações necessárias por parte de todos os envolvidos na indústria.

• O modelo DECHEMA reflete mais a perspectiva da indústria, identificando oportunidades para melhorar processos específicos a fim de reduzir os impactos de energia e emissões de determinados produtos químicos. Assim, o ponto de partida para os cenários da DECHEMA é a análise da “energética”, que se refere à lacuna entre o “teoricamente ótimo” em determinado processo e a realidade atual. Em grande medida, o modelo da DECHEMA extrapola para o futuro as tendências passadas, reconhecendo que a combinação de catalisadores e avanços

tecnológicos fornecerá quatro tipos de progresso, cada um sucessivamente com maior capacidade que o anterior para fechar a lacuna: melhoramentos incrementais, BPT, tecnologias emergentes e tecnologia de ruptura (game changers). Este modelo identifica as maiores lacunas, que refletem as maiores oportunidades de melhoramento radical (tecnologias de mudança de paradigma); mas também reconhece que o fechamento dessas lacunas geralmente exige anos de P&D e um substancial investimento financeiro. No outro extremo, isto é, em processos que já estão perto do limite teórico de eficiência e de redução de emissões, os avanços futuros provavelmente vão se limitar a melhoramentos incrementais. Nesse caso, torna-se mais válido perguntar: “Quanto se ganha e a que custo?” Um desafio inerente à perspectiva da indústria é que a eficiência energética e (com a introdução dos mercados de carbono) a redução das emissões têm um valor monetário que não apenas contribui para a justificação do projeto, como também pode afetar a competitividade. Os ganhos realizados por uma companhia podem ser protegidos como direitos à propriedade intelectual e não podem ser aplicados com a mesma extensão que os ganhos alcançados pela academia ou por instituições públicas de pesquisa.

Um ponto importante é que, embora os modelos AIE e DECHEMA sigam diferentes abordagens e meçam fatores um tanto diferentes, ambos chegam a uma conclusão parecida: o potencial para melhoramento da eficiência energética e redução das emissões na indústria química é substancial, e é necessário um esforço coletivo de todas as partes interessadas para concretizá-lo.

Este roadmap tem um foco bastante específico: processos catalíticos na indústria química. Apresenta primeiramente a abordagem da AIE, seguida por uma extensa seção destacando o potencial impacto dos avanços tecnológicos refletidos no modelo DECHEMA. A seção sobre visão compara os resultados e estabelece ações e marcos para alcançar as metas declaradas. Embora sejam também possíveis reduções significativas de energia e emissões em outros processos catalíticos e em produtos em uso, elas não são tratadas quantitativamente, mas apenas qualitativamente neste roadmap.

9

Conforme ilustra a Figura 1, os dois modelos usam as mesmas hipóteses para o período 2010-2050 no que diz respeito a volumes projetados de produção, SEC e o futuro perfil de uso de combustíveis, porém eles diferem em alguns outros aspectos. A AIE (verde) aborda o setor químico de maneira geral, com uma detalhada modelagem pelas rotas de produção para os cinco principais produtos em termos de consumo de energia e emissões de CO2.

4 Ambas as abordagens examinam as diferenças regionais que se espera que surjam dentro da indústria química.

Usando dados da SRI, a abordagem da DECHEMA (azul) analisa 18 produtos químicos, para os quais existem 130 processos catalíticos, para avaliar o consumo de energia e as emissões por processo. Ela concentra-se em melhoramentos tecnológicos, que são descritos a seguir.

4. Os números da AIE não incluem emissões indiretas de CO2 atribuídas ao uso de eletricidade, enquanto os números para os 18 produtos químicos incluem tanto as emissões diretas como as indiretas.

Cenários globais da AIEO modelo ETP da AIE (Boxe 2) analisa as economias de energia e de emissões de CO2 necessárias em todos os setores para alcançar os níveis que, segundo as pesquisas climatológicas, teriam uma chance de 80% de restringir a 2°C o aumento médio de temperatura global. Partindo do desempenho atual, procura identificar a combinação de custo mínimo entre tecnologia, políticas e preços, a fim de atingir aquela meta, equilibrando os impactos atuais e as possíveis contribuições dos setores de maior porte. A análise neste roadmap focaliza os processos centrais do setor químico. Para isso o modelo avalia os potenciais de redução de energia e CO2 das atividades-chave, tais como a penetração de economias de calor por processos de BPT, integração de processos, cogeração5, reciclagem, recuperação de energia, substituição de combustíveis, novas tecnologias e economias de eletricidade.

As BPT, no modelo da AIE, representam as mais avançadas tecnologias atualmente em uso em escala industrial (Saygin et al., 2009).

5. O termo “cogeração” refere-se à produção combinada de calor e potência.

Premissas

Modelagem

Resultados

2010 (SRI, USGS) Volume de produção 2010-50 (SRI)Análise geral do setor químico com modelagem detalhada das rotas de produção dos cinco principais produtos

Consumo específico de energia (SEC)

18 produtos, 130 processos catalíticos

Emissões de CO referentes a combustão2 Emissões específicas de GEE

Específico de países e regiões Perfil de uso de combustíveis

GEE por processo e consumo de energia

Regional

AIE

Qualitativo

Refinarias outro catalisador impacto no uso

Avaliação quantitativaDentro do arcabouço de metas climáticas:

Desenvolvimento da produção baseado no crescimento da economia e da população

Melhoramento de SEC através da adoção de BPT e desenvolvimento técnico

Produção, consumo de energia, e missões de CO2

Parte do modelo global de energia da AIEContribuição da eficiência energética, recuperação de energia, CAC e substituição de combustível

Metas tecnológicas para redução de energia e emissões

Áreas para P&D e inovaçãoNecessidades de implementação de tecnologia

Implementação de tecnologia e políticas

de apoio

Desenvolvimento de SEC e GEE dependendo das opções tecnológicas:

Melhoramentos incrementaisTecnologia da melhor práticaTecnologias emergentesTecnologias de mudança de paradigma

Consumo de energia e emissões de GEE

Impacto de biomassa e hidrogênio

PONTO CHAVE: O modelo da AIE examina o setor químico com uma modelagem detalhada dos cinco principais produtos, enquanto que o modelo DECHEMA examina mais de perto a questão de como a catálise e a tecnologia poderiam avançar em paralelo. Os dois cenários, embora forneçam visões diferentes, são complementares.

Avaliação quantitativa

Introdução

Figura 1. Comparação de abordage, limites e cobertura de processos dos modelos AIE e DECHEMA


Cenários DECHEMA dos potenciais de melhoramento técnico para processos catalíticosInicialmente, a DECHEMA reconheceu que as informações publicamente disponíveis a respeito dos impactos de catalisadores sobre a eficiência de processos são limitadas, e a quantificação do impacto dependeria de se conseguir informações fidedignas junto à indústria ou outras fontes (Boxe 3). A fim de alcançar a avaliação quantitativa desejada do impacto dentro da indústria química, o estudo combina as constatações de três abordagens complementares. Os dados mais relevantes sobre melhoramentos potenciais foram obtidos da seguinte maneira:

• Enviando questionários a respeito dos 40 principais processos industriais que consomem energia e que são cataliticamente relevantes:

• Pediu-se aos fabricantes de produtos quí-micos que relatassem volumes de produção, consumo de energia e emissão de GEE, taxas históricas de melhoramentos e futuros melho-ramentos potenciais. A DECHEMA recebeu 92 relatórios a respeito de processos específicos de 28 companhias, e 73 deles incluíam dados energéticos para processos específicos.

• Fez-se um levantamento junto aos fabricantes de catalisadores a respeito de melhoramentos passados e potenciais melhoramentos futuros, e das principais áreas de P&D.

• Pediu-se aos peritos acadêmicos que identifi-cassem futuros projetos e ideias de pesquisa.

• Aumentando/verificando as informações do levantamento por meio de dados complementares sobre processos específicos, conforme foram fornecidos pela SRI Consulting (atual IHS). Os valores foram discutidos com os peritos industriais em duas reuniões, e as informações sobre todos os processos foram verificadas com os licenciadores.

• Consultando a literatura aberta para obter uma perspectiva ampla.

Boxe 2. 2DS do “Energy Technology Perspectives” da AIE

O cenário ETP 2°C (2DS) examina as implicações das políticas, visando a alcançar a redução de emissões, que, segundo as pesquisas climatológicas, teriam uma chance de 80% de restringir a 2°C o aumento médio de temperatura global. Neste cenário, as emissões globais de CO2 referentes à energia em 2050 serão a metade do nível atual.

Isso não significa que cada segmento industrial tenha de reduzir suas emissões em 50%. Para alcançar os objetivos de emissões globais de CO2 da forma mais eficaz em termos de custo, é necessário que cada setor dê sua contribuição com base em seu custo de abatimento. No 2DS, a meta para o setor químico e petroquímico seria reduzir as emissões de CO2 em 1,3 GtCO2 até 2050, o que corresponde a cerca de 20% menos que os níveis atuais.

O cenário de 6°C (6DS) serve de linha de base (ou business as usual): ele admite que não será introduzida nenhuma grande política nova de redução de emissões nas próximas décadas, e as tecnologias vão ser desenvolvidas e

implementadas a uma velocidade semelhante à do passado. O 2DS pergunta quais políticas são necessárias para promover a aplicação ampla das BPT a fim de alcançar a redução de energia e emissões necessária para limitar o aumento da temperatura global.

Os resultados confirmam que será difícil alcançar o 2DS. Algumas taxas de mudança assumidas (por exemplo a mudança anual das vendas de novas tecnologias) não têm precedentes. Para concretizar tal cenário, serão necessárias políticas fortes por parte dos governos no mundo inteiro.

O modelo ETP é fundamentado em um modelo Times (www.iea.org/etp/methodology), que usa otimização de custos para identificar combinações de mínimo custo de tecnologias de energia e combustíveis para atender à demanda de energia, dadas as restrições, tais como a disponibilidade de recursos naturais. Neste estudo, ele foi utilizado para fornecer uma estimativa de quanto CO2 pode ser evitado usando-se tecnologias preferenciais com o mínimo custo potencial de abatimento.

11

A DECHEMA usou as informações das fontes citadas para modelar cinco cenários. Cada cenário reflete um melhoramento mais substancial que o anterior, o que tipicamente coloca as categorias de melhoramentos mais “adiante” no cronograma do desenvolvimento.

Business as usual (BAU) admite que o nível tecnológico de hoje – e consequentemente o nível de consumo de energia e emissões de GEE dos processos químicos – permanece constante, isto é, sem nenhum melhoramento adicional. O BAU é a linha de base usada para comparação nas opções de melhoramento descritas a seguir.

Melhoramento incremental, um cenário que reflete avanços tecnológicos relativamente pequenos e esperados no “andamento normal dos negócios”. Estes são alguns exemplos: sistemas de catálise mais seletivos, ativos e/ou duráveis; desempenho otimizado de reatores; nível mais alto de integração térmica; melhores condições operacionais; etc. Muitos melhoramentos deste tipo são retrofits de plantas já existentes.

Tecnologias da melhor prática (best practice technologies – BPT) indicam uma aplicação amplamente disseminada de tecnologias estabelecidas ou melhores práticas em plantas existentes ou novas.* São apresentados dois cenários, um com premissas conservadoras e outro mais otimista. A implementação de BPT tipicamente requer investimentos maiores que para melhoramentos incrementais, e é mais provável que seja parte de novas construções do que de iniciativas de retrofit. Um exemplo para ilustrar um SEC médio versus BPT encontra-se no Anexo 4.

Tecnologias emergentes caracterizam-se por avanços em grandes saltos, por intermédio uma nova tecnologia que esteja em estágio avançado de P&D, ou em demonstração, ou ainda com possibilidade

realista de comercialização. Dois exemplos são a substituição do craqueamento a vapor (atualmente executado não cataliticamente) por um processo catalítico e o processo de metanol para olefina (methanol-to-olefin – MTO). As tecnologias emergentes em geral são aplicadas usualmente em novas plantas/ instalações.

Tecnologia de ruptura (game changers), tecnologias de mudança de paradigma que desencadeiam uma mudança significativa do processo, por exemplo: encontrando rotas diretas de produção que eliminem processos intermediários, usando matérias-primas alternativas, mudando mecanismos básicos, etc. Opções de processo do tipo “mudança de paradigma” tipicamente estão longe da comercialização e enfrentam grandes barreiras econômicas e técnicas; assim, elas têm risco relativamente alto. Caso se tornem viáveis, poderão ser aplicadas em novas plantas/ instalações.

Nessa lista, o grau de incerteza cresce de uma categoria para a seguinte, e assim desenvolveram-se casos com hipóteses otimistas ou conservadoras em relação à velocidade de implementação da tecnologia. Isso possibilitou considerar a redução de uso de energia e GEE em áreas com diferentes velocidades de melhoramento, cronogramas de desenvolvimento e níveis de investimento. Explicações adicionais estão no glossário.

* Nota: Na indústria química, dada a escala da maioria das plantas, é mais apropriado analisar os potenciais tomando como referência as tecnologias mais avançadas atualmente em uso em escala industrial. Por isso as tecnologias da melhor prática (BPT) são comparadas com as melhores tecnologias práticas disponíveis (best available technologies – BAT). Estas últimas são tecnologias que podem estar em operação em algumas plantas, mas ainda não estão amplamente comprovadas tecnológica ou economicamente em escala industrial.

Boxe 3. Cenários da DECHEMA

Introdução


A pesquisa realizada para este roadmap examina o uso de energia e as emissões de GEE referentes aos 18 principais produtos químicos6 em escala global.

Para ajudar as partes interessadas a se concentrarem nas ações mais eficazes, o foco do roadmap é limitado a quatro grupos de produtos com os maiores impactos de energia e emissões. Todos os quatro são ou podem ser produzidos por processos catalíticos:7

• As olefinas (etileno e propileno) são compostos relativamente estáveis com um ou mais pares de átomos de carbono ligados por uma ligação dupla. Quando a ligação é rompida, as moléculas rapidamente formam novas ligações simples, estimulando diversas reações. As olefinas são formadas em grande quantidade durante o “processo de craqueamento” (quebra de moléculas grandes), pelo qual os óleos do petróleo são transformados em gasolina. Atualmente o processo mais comum para se produzirem olefinas é o “craqueamento a vapor” da nafta, que é não catalítico. Elas também podem ser produzidas pelo craqueamento catalítico da nafta ou pela desidratação catalítica do metanol (MTO), mas esses processos são muito menos comuns. As olefinas, em especial o etileno e o propileno, são amplamente usadas na indústria petroquímica, por exemplo na produção de polímeros usados para fabricar borracha sintética e outros plásticos. A produção mundial de etileno e propileno em 2012 foi de 220 milhões de toneladas (Mt).

• A amônia é um composto de nitrogênio e hidrogênio com a fórmula NH3. É um gás incolor com forte odor acre. É amplamente usada na agricultura como fertilizante, serve de matéria-prima para muitos produtos farmacêuticos e de limpeza e também como agente antimicrobial no processamento de alimentos. A produção mundial de amônia foi estimada em 2012 em 198 Mt.8

• Os aromáticos BTX (benzeno, tolueno e xileno) também se caracterizam por átomos de carbono com ligações duplas que podem facilmente ser modificadas, bem como por seu odor específico, que sugeriu o uso da palavra “aromáticos” como nome do grupo. Comumente são produzidos por reforma catalítica de nafta no refino petroquímico. Os aromáticos BTX são vitais para o refino de petróleo e para as indústrias petroquímicas. A demanda dos três cresceu rapidamente nos últimos anos. A produção mundial de benzeno em 2012, por exemplo, foi de

6. Os produtos estão listados no Anexo 4, Tabela 5.7. O Anexo 4, Tabela 5 contém informações detalhadas sobre os 14 produtos restantes.8. Ceresana. Market Study Ammonia. Ceresana. Acesso em: 7 nov. 2012.

43 Mt, representando um aumento de 2 Mt sobre o ano anterior. Também são usados em saúde e higiene, produção e processamento de alimentos, transporte, informática e outros setores.

• O metanol (também conhecido como álcool metílico) é um líquido leve, incolor, inodoro e altamente inflamável. É produzido cataliticamente a partir de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrogênio. O uso mais comum do metanol é para produzir outros produtos químicos. Cerca de 40% são convertidos em formaldeído e então transformados em plásticos, madeira compensada, tintas, explosivos e têxteis. Também é usado em anticongelantes, solventes e como combustível para veículos (inclusive biocombustíveis recentes) e pode servir de portador de energia. A produção mundial de metanol em 2012 foi estimada em 58 Mt.

Ao falar da indústria química, é importante distinguir “processos” de “produtos”. O processo refere-se a todos os passos (que podem ser muitos, tanto catalíticos quanto não catalíticos, e que envolvem uma ampla gama de tecnologias) pelos quais a matéria-prima é transformada em produtos (etileno, propileno, amônia, metanol, etc.). O processo tipicamente inclui uma grande variedade de estágios e tecnologias, sendo que muitas ou todas precisam de energia e podem resultar em emissões de GEE.

Considerando somente a energia gasta nos processos de fabricação de produtos a partir de matérias-primas, o consumo total mundial de energia da indústria química é estimado em 15 EJ/ano (AIE, 2012). É importante notar que isso não inclui a energia usada para produzir as matérias-primas nem o conteúdo energético das matérias-primas usadas no processo.9 Juntos, os quatro produtos descritos usam 7,1 EJ/ano, ou 47% da demanda total de energia do setor. Ampliando o grupo de produtos para abranger os 18 produtos químicos de maior volume (exceto os produtos químicos feitos por reações eletroquímicas), o consumo de energia cresce para cerca de 9,4 EJ/ano, ou 63% da energia total referente a processos, enquanto um número enorme de produtos de pequeno volume tem um uso muito menor de energia10 (Figura 2).11

Assim, na categoria de produtos químicos de grande volume, as olefinas, a amônia, os aromáticos BTX e o metanol representam cerca de 80% da demanda de energia, motivo pelo qual eles são especificamente focalizados neste roadmap.

9. Os cálculos baseiam-se na soma de todas as rotas de produção. Para cada rota, os consumos específicos de energia (SEC) mundiais foram multiplicados pelo volume de produção da respectiva rota. Os SEC médios estão no Anexo 4.

10. A Figura 3 do Anexo 4 mostra as matérias-primas, os principais processos e os produtos primários típicos da indústria química.

11. Os Estados Unidos usam 93 EJ de energia primária e a Alemanha usou 13,7 EJ em 2010 (estatísticas da AIE).

Situação atual do uso de energia e emissões de GEE

13

As emissões mundiais totais de GEE atribuídas aos processos químicos e petroquímicos são de 1,24 GtCO2-eq ao ano. As emissões de GEE dos 18 produtos químicos de maior volume são de 960 MtCO2-eq/ano, ou mais de 75% do total (Figura 3).

Assim, o tratamento da questão da intensidade de energia e emissões de GEE12 desses produtos químicos de grande volume, e especificamente os 18 principais produtos químicos, tem potencial para alcançar substanciais impactos em escala global.13 No entanto, para apreender a complexidade da indústria como um todo, é preciso observar que podem ser usados cerca de 130 diferentes processos industriais para fabricar os 18 produtos listados e que esses processos são comumente específicos de certa companhia. O acesso a dados e informações sobre processos e produtos é muitas vezes protegido por motivos de propriedade. Em consequência, é particularmente desafiador identificar e promover o uso amplo dos processos mais eficientes e de menores emissões.

12. Os SEC e emissões de GEE de plantas existentes estão listados no Anexo 4.

13. Os volumes de produção, intensidades de energia e inten-sidades de emissão de GEE dos 18 principais produtos com processos específicos estão listados no Anexo 4.

Outro importante fator afeta tanto a demanda de energia quanto as emissões da indústria química. É muito comum que diversos passos de um processo, usando vários reatores e catalisadores, precisem ser executados para produzir determinado produto. A síntese da amônia é um exemplo típico, conforme se vê em um fluxograma simplificado mostrando somente os passos mais importantes do processo (Figura 4). Usando principalmente carvão ou gás natural como matéria-prima, o primeiro reator de uma planta de amônia (o reformador) produz hidrogênio e monóxido de carbono para criar gás de síntese (syngas), mas isso também resulta em emissões de CO2. Um segundo reator (o conversor shift) usa água para converter o monóxido de carbono em dióxido de carbono mais hidrogênio. Os dois primeiros passos usam catalisadores para máxima eficiência. Após a remoção do gás ácido, a síntese propriamente dita da amônia é executada, fazendo o hidrogênio reagir com nitrogênio retirado do ar, usando outro catalisador.

Co

nsu

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ener

gia

(E

J)

Amônia

Etileno

Metanol Propileno

BTX

Nota: O consumo de energia para as olefinas nesta figura é referente ao processo de craqueamento a vapor.

Fonte: DECHEMA.

PONTOCHAVE: Cinco produtos de grande volume (indicados em vermelho) dominam o consumo de energia dos processos químicos.

Acrilonitrila Caprolactama Cumeno Etileno glicol Óxido de etileno Fenol Polietileno

Óxido de propileno Polipropileno Para-xileno Estireno Ácido tereftálico Cloreto de vinila

Volume de produção (kt)


Figura 2. Consumo global de energia versus volumes de produção dos 18 principais produtos químicos de grande volume, 2010


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PONTO CHAVE: As emissões de GEE de processos químicos catalíticos são dominadas pelos

principais produtos de grande volume.

H2

PONTO CHAVE: A catálise é parte integrante da produção de amônia, tendo um papel a desempenhar

em vários pontos do processo.

CO 2 CO2 N2

NH3

Catalisador

Secção de síntese

Remoção dogás ácidoCatalisador

H + CO2 2Conversor shift CO + H O 2

H + CO2 2

Gás de combustão

Matéria-prima Reformador

Gás de síntese

Catalisador

Combustível

Nota: As emissões de GEE para olefinas nesta figura se referem ao processo de craqueamento a vapor.

A amônia está representada em um eixo diferente à direita.

Fonte: DECHEMA

Emis

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Amônia

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Metanol

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Cloreto de vinila


Óxido de propileno Polipropileno Para-xileno Estireno Ácido tereftálico

Figura 3. Emissões globais de GEE versus volumes de produção dos 18 principais produtos químicos de grande volume, 2010

Figura 4. Síntese da amônia: esquema simplificado

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PONTO CHAVE: As emissões de GEE de processos químicos catalíticos são dominadas pelos

principais produtos de grande volume.

H2

PONTO CHAVE: A catálise é parte integrante da produção de amônia, tendo um papel a desempenhar

em vários pontos do processo.

CO 2 CO2 N2

NH3

Catalisador

Secção de síntese

Remoção dogás ácidoCatalisador

H + CO2 2Conversor shift CO + H O 2

H + CO2 2

Gás de combustão

Matéria-prima Reformador

Gás de síntese

Catalisador

Combustível

Nota: As emissões de GEE para olefinas nesta figura se referem ao processo de craqueamento a vapor.

A amônia está representada em um eixo diferente à direita.

Fonte: DECHEMA

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Cloreto de vinila


Óxido de propileno Polipropileno Para-xileno Estireno Ácido tereftálico

15

Em um nível simplista, praticamente todos os produtores de amônia buscariam oportunidades de reduzir a demanda de energia e as emissões pela aplicação de melhoramentos incrementais (melhor integração térmica, ajustes finos do catalisador, etc.) em cada um desses passos, quando economicamente viável, e pela adoção de BPT (equipamento no estado da arte, melhores catalisadores, separações, etc.). À medida que mais fabricantes tomem essas providências, a demanda de energia e as emissões mundiais podem ser substancialmente reduzidas. O desenvolvimento e a implementação do esquema de síntese de amônia retratado acima, chamado “síntese de Haber-Bosch”, são um exemplo histórico de um grande avanço na catálise, que se tornou uma tecnologia de mudança de paradigma na síntese da amônia (Boxe 4). A síntese de Haber-Bosch é também um bom exemplo da frequente evolução em paralelo dos catalisadores e outras tecnologias de processo. Visto que o processo exige o manuseio e o processamento de hidrogênio em alta pressão, foram necessários vários avanços técnicos para que fosse realizado em escala industrial. A eficiência da

maioria dos processamentos químicos melhora com o tempo devido a fatores tais como melhoramentos tecnológicos, concorrência, necessidade de reduzir consumo de energia e/ou emissões, etc. À medida que os processos amadurecem e se aproximam do limite termodinâmico, a oportunidade de melhoramentos radicais diminui. Mesmo assim, pequenas mudanças em produtos químicos de grande volume têm um impacto global substancial. Décadas de inovação, integração energética e aumento do preço da energia conquistaram a maior parte dos melhoramentos na intensidade energética que eram fáceis de se alcançar. Apesar disso, ainda existem oportunidades, tendo em vista o uso teórico de energia para alguns processos (ver Anexo 3).

Nos anos 1920, a Europa enfrentava uma potencial crise de alimentos: os solos tinham sido exauridos de nitrogênio, o principal nutriente das plantas. Embora o nitrogênio molecular constitua 78% da atmosfera, nessa forma ele está fora do alcance das plantas. Entretanto, sabia-se que os fertilizantes derivados da amônia se decompõem no solo e liberam nitrogênio (que as plantas são capazes de absorver).

Na época, a amônia não era disponível em escala industrial e só podia ser fabricada por processos de grande consumo de energia, tais como os processos de arco voltaico e de cianamida.

O desenvolvimento da síntese de Haber-Bosch não apenas promoveu um enorme salto na eficiência energética como também foi um requisito para a produção de amônia em escala industrial.

O nome desse processo reflete o importante vínculo entre a química e a tecnologia. O químico Fritz Haber primeiramente desenvolveu um método de converter hidrogênio e nitrogênio em amônia. Um dos pontos-chave do processo foi a introdução de um catalisador de ferro capaz de prender (adsorver) em sua superfície tanto as moléculas de nitrogênio como as de hidrogênio. Sob liberação de energia, o catalisador de ferro divide as moléculas

presas em átomos de nitrogênio e hidrogênio, que em seguida se combinam, formando a amônia. A amônia era então liberada (dessorvida) para a fase gasosa.

Trabalhando para a Basf, Carl Bosch desenvolveu a tecnologia necessária para a produção industrial de amônia em larga escala. Todos os passos são caracterizados por uma energia de ativação relativamente baixa (a “colina” de energia que precisa ser escalada antes que a reação aconteça), possibilitando assim que a síntese se processe a uma velocidade tecnicamente aceitável (Figura 5).

Ambos receberam o Prêmio Nobel por suas realizações de química e de engenharia, que preveniram uma crise dos solos esgotados de nitrogênio: Haber em 1918 e Bosch em 1931. Hoje, a síntese da amônia é considerada uma das mais importantes descobertas em processos catalíticos da humanidade: cerca de 50% da produção mundial de alimentos é sustentada por fertilizantes baseados em amônia (Erismann, 2008).

Boxe 4. Exemplo histórico: Haber-Bosch mudou o paradigma para a síntese da amônia



Método do arco voltaico de Birkeland-Eyde

Método de cianamida

Síntese de Haber-Bosch Reforma a vapor de gás natural

Fonte: Reproduzido de P. Broadhurst, Catalysts to Drive Environmental Improvements in Fertilizer Manufacture, Johnson Mathey Catalysts: www.faidelhi.org/FAI%20Seminar%202008/Presentations/Session%20III/Presentation%205.pdf.

PONTO CHAVE: Ocorreram espetaculares melhoramentos no uso de energia para amônia

antes de 1930; nas últimas cinco décadas os melhoramentos têm sido mais incrementais.

Figura 5. Inovação radical na síntese de amônia e eficiência energética

17

Embora em termos absolutos o uso de energia e as emissões de GEE cresçam como resultado do crescimento esperado da indústria química (BAU), a taxa de crescimento pode ser diminuída por melhoramentos incrementais, BPT e mais ainda por tecnologias emergentes (Figuras 7 e 8). O impacto do potencial das tecnologias emergentes está provavelmente subestimado, já que o estudo examinou somente dois exemplos: produção de olefinas via

craqueamento catalítico de nafta e via metanol. O impacto das tecnologias de mudança de paradigma, entre elas o uso de biomassa como matéria-prima e a implementação de processos baseados em hidrogênio originário de fontes renováveis de energia, é apresentado nas Figuras 20 e 21.

Conforme se destaca no modelo DECHEMA, os melhoramentos técnicos poderiam fortalecer ainda mais a busca da indústria pela eficiência energética e pela redução de emissões. Nos Estados Unidos, por exemplo, a intensidade energética do setor químico melhorou em 39% e a intensidade de emissões de GEE foi reduzida em 10% entre 1994 e 2007. Para colocar isso em perspectiva, a energia economizada acumulada teria sido suficiente para abastecer de energia primária por um ano inteiro o Japão, país que, com um consumo anual de 24 EJ, é o quarto maior consumidor de energia do mundo. A redução do ritmo de melhoramentos energéticos a partir de 2007 reflete a recessão global e a lentidão do crescimento de toda a indústria química americana.

O modelo DECHEMA mostra que, em comparação com um cenário BAU que inclua crescimento da produção, mas nenhum esforço adicional de aumento de eficiência energética, o melhoramento de catalisadores e dos respectivos processos para os 18 produtos principais poderia ser uma das principais rotas para reavivar o progresso em eficiência energética (Figura 6). No ano de 2050, os melhoramentos incrementais melhoram a intensidade em 1,8 gigajoules (GJ) por tonelada de produto (tproduct), uma economia de 14%. A implementação de BPT tem um impacto ainda maior: em uma estimativa conservadora, ela gera economias de 2,9 GJ/tproduct (26%), enquanto o modelo mais otimista economiza 5,3 GJ/tproduct (48%).

Oportunidades tecnológicas

5

6

7

8

9

10

11

12

2010 2020 2030 2040 2050

Inte

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J/t

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ct)

BAU Melhoramento incremental BPT conservador BPT otimista

Nota: O consumo de energia para olefinas nesta figura é baseado no uso do processo de craqueamento catalítico.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: Com base nas tendências históricas de melhoramentos regulares, a expectativa

é que a intensidade energética do setor químico e petroquímico continue a diminuir gradualmente.


Figura 6. Evolução da intensidade de energia para melhoramentos incrementais e implementação de BPT


Ener

gia

to

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EJ)

BAU Melhoramento incremental BPT conservador BPT otimista Tecnologias emergentes

Nota: O consumo de energia para olefinas com tecnologias emergentes nesta figura baseia-se na implementação do

processo de craqueamento catalítico.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: A aplicação de catalisador e melhoramentos de processos relacionados pode

reduzir significativamente o crescimento projetado da demanda da energia em comparação com

business as usual.

Nota: Estão incluídas no gráfico as emissões diretas de processo, isto é, as emissões inevitáveis, já que o CO 2

se forma como subproduto em algumas reações químicas. Ver Anexo 1 para mais detalhes.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: Embora o crescimento da produção empurre para cima as emissões de GEE, a

aplicação de melhoramentos tecnológicos pode diminuir significativamente a taxa de crescimento

projetada, em comparação com business as usual.


Em

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o T

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2

Emissões direta e processo

Figura 7. Impacto energético das opções de melhoramento para os 18 principais produtos até 2050

Figura 8. Impacto sobre os GEE das opções de melhoramento para os 18 principais produtos até 2050

En

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Nota: O consumo de energia para olefinas com tecnologias emergentes nesta figura baseia-se na implementação do

processo de craqueamento catalítico.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: A aplicação de catalisador e melhoramentos de processos relacionados pode

reduzir significativamente o crescimento projetado da demanda da energia em comparação com

business as usual.

Nota: Estão incluídas no gráfico as emissões diretas de processo, isto é, as emissões inevitáveis, já que o CO 2

se forma como subproduto em algumas reações químicas. Ver Anexo 1 para mais detalhes.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: Embora o crescimento da produção empurre para cima as emissões de GEE, a

aplicação de melhoramentos tecnológicos pode diminuir significativamente a taxa de crescimento

projetada, em comparação com business as usual.


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2

Emissões direta e processo

19

Melhoramentos incrementaisCom base em dados recebidos no levantamento de produtores químicos e informações de outros peritos industriais, o modelo DECHEMA indica que os melhoramentos incrementais para processos específicos podem levar a melhoramentos (isto é, causar uma redução) da intensidade energética na faixa de 0,2%/ano a 1,0%/ano14 Em escala mundial, esses melhoramentos tornam-se significativos e devem ser encorajados. Em alguns casos, por exemplo a caprolactama, parecem possíveis melhoramentos muito maiores, na faixa de 2,5%/ano a 3,0%/ano.

As linhas roxas nas Figuras 7 e 8 mostram o impacto de melhoramentos incrementais para os 18 principais produtos sobre o consumo de energia e as emissões de GEE. Em relação à linha de base de BAU (isto é, sem nenhum novo melhoramento tecnológico), na qual o consumo de energia cresce em 17,5 EJ (186%) e as emissões de GEE crescem em 1,7 GtCO2-eq (194%) entre 2010 e 2050, os melhoramentos incrementais podem reduzir em 20% (5,3 EJ) a projeção de energia do BAU e em 15% (384 MtCO2-eq) as emissões de GEE em 2050.

Deve-se observar que certos processos químicos intrinsecamente geram GEE como subprodutos. Essas emissões diretas, não relacionadas a energia, são inevitáveis.15 Para os 18 produtos químicos analisados no cenário da DECHEMA, essas emissões são de 193 MtCO2-eq em 2010 e crescem para 527 MtCO2-eq em 2050. Em consequência, a evolução das emissões de GEE não é completamente correlacionada com a redução de energia.

14. A Tabela 5 do Anexo 4 mostra fatores de melhoramento de vários processos.

15. Um exemplo é a geração estequiométrica de CO2 na pro dução de amônia a partir de gás (1 tCO2/tamônia), ou carvão (2 tCO2/tamônia).

Implementação de tecnologias da melhor prática (BPT)O desenvolvimento e a implementação de BPT representam a melhor oportunidade de reduzir o consumo de energia e de emissões nos próximos 20 a 40 anos, particularmente à medida que vão sendo construídas novas plantas nas economias emergentes, bem como em outras. Mas as decisões quanto ao capital necessário para investimentos em novas capacidades são submetidas a vários fatores econômicos, entre eles o custo de energia e outras utilidades, o custo total do investimento, a disponibilidade e o preço de matérias-primas, as limitações impostas por licenciamentos e as condições concorrenciais. Esses fatores dependem da região e do processo químico, sendo por isso difícil fazer uma avaliação realista da taxa mundial de implementação de BPT. Entretanto, podem ser apresentadas algumas hipóteses simplificadas sobre retrofits de plantas existentes e criação de novas plantas (Tabela 1).

O risco, especialmente nas atuais condições econômicas mundiais, é que os produtores medem a viabilidade econômica das plantas baseando-se exclusivamente nos custos de investimento. Essa mentalidade de “economia de encerramento” apoia a ideia de continuar a operar plantas velhas que já amortizaram seus custos de capital de investimento, embora tenham equipamentos e tecnologias desatualizadas. Isso também faz com que as plantas no estado da arte, que ainda estão amortizando os custos de capital e podem ter custos operacionais mais altos, tenham dificuldade em ser competitivas.

A disseminação da implementação de BPT disponíveis, por meio da substituição ou reforma de plantas existentes e da construção de novas plantas ao mesmo nível de eficiência das BPT, poderia trazer importantes economias em 2050. No cenário BPT conservador (linha amarela nas Figuras 7 e 8), a economia de energia é de

Notas: SEC = consumo específico de energia (specific energy consumption), BPT = tecnologia de melhor prática (best practice technologies)

Instalação BPT conservador BPT otimista

Retrofits de plantas existentes 70% ao nível médio de SEC, 30% ao nível de BPT Todas têm SEC ao nível BPT

Implantação de novas plantas 50% ao nível médio de SEC, 50% ao nível de BPT Todas têm SEC ao nível BPT

Melhoramento contínuo de

eficiência energética por ano0,55% 1,1%


Tabela 1. Sumário de hipóteses para os cenários de implementação de BPT na indústria química


6,6 EJ e as emissões são reduzidas para 564 MtCO2-eq.16 O cenário otimista (linha azul nas Figuras 7 e 8) aumenta as economias para 10,9 EJ e a redução de emissões para 854 MtCO2-eq.

Apesar das indicações de benefícios potenciais, não é fácil nem simples estimular um aumento substancial na rapidez da adoção de BPT. Em termos de custo, a forma mais eficiente de implementar BPT é durante a construção de novas plantas. Nos Estados Unidos, tipicamente 26% dos investimentos de capital vão para a substituição de equipamentos e outros 26% para aumentar a capacidade de plantas existentes (que também são um alvo para BPT) (ACC, 2012). As reduções de energia (e, em algumas regiões, as de GEE) ajudam a economia, mas atualmente não fornecem uma justificativa suficiente versus outras proposições de valor (crescimento, novos mercados, etc.).

Para acelerar a adoção de BPT serão necessárias melhores políticas, que possibilitem/encorajem investimentos otimizados. Uma necessidade-chave são estratégias para acelerar a implementação de BPT em países em desenvolvimento, nos quais será construída a maioria das novas plantas nas próximas décadas.

16 Os SEC para os processos investigados estão resumidos na Tabela 5 do Anexo 4.

Tecnologias emergentesO modelo DECHEMA considera as tecnologias emergentes como inovações que possibilitam grandes saltos de progresso nas atuais rotas de fabricação dos principais produtos químicos. Vários sumários de visões de alto nível para a indústria química incluíram o desenvolvimento de catalisadores nas áreas-chave, por exemplo A indústria química do futuro: roadmap de novas tecnologias de processos químicos (Chemical Industry of the Future: New Process Chemistry Technology Roadmap), de julho de 2001. O roadmap de 2010 para pesquisa de catálise na Alemanha Catálise – tecnologia-chave para crescimento sustentável (Catalysis – a Key Technology for Sustainable Growth) examinou o impacto potencial de várias tecnologias emergentes, mas está longe de abranger todos os avanços de curto prazo.

O impacto da implementação de craqueamento catalítico (em lugar de craqueamento a vapor) para produção química em larga escala é mostrado como exemplo de tecnologia emergente pela linha rosada nas Figuras 7 e 8. Usando as mesmas premissas de velocidade de implementação do cenário otimista de BPT, o potencial de economia de energia em 2050 seria de 2,3 EJ (além das economias viabilizadas no cenário otimista de BPT). As economias de GEE correspondentes seriam de 143 MtCO2-eq (Tabela 2). O impacto do craqueamento catalítico da nafta e outras potenciais tecnologias emergentes justifica a continuação da discussão.

Na realidade, as tecnologias emergentes enfrentam um temível percurso de desenvolvimento desde o laboratório até a escala industrial. Estima-se que

Economias acumuladas versus 2010 Impacto em 2050 (EJ) % de diminuição versus BAU em 2050

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Aumento de energia em BAU versus 2010 (EJ)

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Aumento de GEE em BAU versus 2010 (MtCO2-eq)

Melhoramento incremental

BPT conservador

BPT otimista

Emergentes*

* Substituição de craqueadores de nafta somente conforme hipóteses de BPT.

** Os números do impacto de BPT otimista incluem o cenário BPT conservador e não são aditivos.

Tabela 2. Sumário do impacto potencial dos catalisadores sobre energia e GEE em cenários de fabricação de produtos químicos

21

mais de 3.000 boas ideias precisam ser testadas no laboratório para produzir um único sucesso comercial (Stevens; Burley, 1997). Um caminho para ajudar as companhias a se dedicarem ao desenvolvimento de modo a que uma maior quantidade de soluções sobreviva a esse processo de seleção seria desenvolver políticas para fornecer incentivos financeiros para os principais candidatos a processos que tenham um impacto positivo sobre a energia e as emissões de GEE. É necessária uma regularidade no financiamento do desenvolvimento por longos períodos de tempo para gerar progresso constante, melhorar a confiabilidade e o aspecto econômico e reter na área os trabalhadores de conhecimento.

Produção de olefinas via craqueamento catalítico de nafta ou via metanol

O craqueamento a vapor, que converte matérias-primas constituídas de hidrocarbonetos (nafta, etano, etc.) em olefinas (tais como etileno e propileno, que estão entre as principais matérias-primas para diversos produtos químicos) e outros produtos, é atualmente a principal rota de processo para a produção de olefinas; porém é um processo não catalítico e um grande consumidor de energia. Devido aos volumes de produção muito altos e à grande demanda de energia mesmo quando se usam processos no estado da arte, a DECHEMA considera que as tecnologias emergentes para a produção de olefinas são as de maior impacto potencial sobre a economia de energia. Várias tecnologias avançadas de olefinas possibilitam substanciais reduções do consumo de energia, sendo que duas apresentam o maior potencial de todos.

Produção de olefinas via craqueamento catalítico de nafta: Uma comparação recente entre o SEC de craqueamento a vapor e tecnologias inovadoras de olefinas mostrou que as tecnologias catalíticas de olefinas que usam nafta poderiam proporcionar economias de energia de 10% a 20% (Ren; Patel; Blok, 2006). Foram desenvolvidas tecnologias para craqueamento catalítico de nafta por diversos institutos de pesquisa e companhias, tais como o Korean Research Institute of Chemical Technologies (Krict), LG (Chemical Week, 2002) e Asahi Kasei. Uma planta-piloto operada pelo Krict demandou cerca de 10 GJ a 11 GJ de energia por tonelada de produtos químicos de alto valor (high-value chemicals – HVC)17 (GJ/tHVC) (HAN, 2002), em comparação com o valor de plantas de BPT para o craqueamento a vapor tradicional (12 GJ/tHVC). O Krict implementou agora a tecnologia na primeira planta comercial de craqueamento catalítico na China. Uma vez que o craqueamento de nafta no estado da arte consome

17. A expressão “produtos químicos de alto valor” (high-value chemicals – HVC) refere-se a produtos do craqueamento da nafta. Esse processo tem como principais produtos o etileno e o propileno, mas também forma vários outros subprodutos de valor, portanto o consumo de energia é alocado a toda a gama de produtos HVC. Para detalhes, ver Anexo 1: Condições de contorno para o modelo DECHEMA.

aproximadamente 20% menos energia que a atual média mundial para o craqueamento a vapor simples, a substituição de alguns craqueadores antigos por tecnologias catalíticas para olefinas poderia levar a economias totais de energia de 30% a 40%.

Produção de olefinas via metanol: O metanol é um produto químico-base de uma plataforma, que possibilita uma rota alternativa para produzir olefinas pequenas, em particular etileno e propileno. O processo chamado MTO contorna o craqueamento a vapor da nafta ou etano, tornando possível a produção de olefinas a partir de gás ou carvão em lugar do petróleo. As tecnologias MTO licenciadas pela UOP/Norsk Hydro, SYN Energy Technology Co. Ltd./Lummus Technology e outras já entraram em fase de comercialização (BARGER, 2003). Usando o modelo DECHEMA, a análise do MTO como tecnologia emergente não mostra potencial de economia de energia em comparação com o craqueamento da nafta (detalhes no Anexo 4). A produção de metanol como parte da cadeia de processos que conduz às olefinas domina claramente o consumo de energia para a rota baseada em gás via metanol e MTO; efetivamente, para essa cadeia de processo, é preciso quase o dobro da energia do craqueamento a vapor.18 A DECHEMA, portanto, não considera o MTO parte do cenário de tecnologias emergentes visando a redução de consumo de energia e emissões de GEE.

Outras tecnologias emergentes

Vários outros produtos químicos dentre os 18 principais poderiam se beneficiar da continuação do desenvolvimento de tecnologias emergentes. Por exemplo, entre diferentes rotas de síntese para produzir óxido de propileno (PO), o processo de peróxido de hidrogênio óxido de propileno (HPPO) é uma tecnologia emergente.19 O processo HPPO é um processo PO de um único produto (sendo que o coproduto é água), que oxida o propileno com peróxido de hidrogênio. Seu consumo de energia é cerca de 35% mais baixo que o do processo convencional. Entretanto, é preciso gastar energia para produzir o peróxido de hidrogênio; e, levando isso em conta, a redução de energia de toda a cadeia de processos seria de 10% a 12%. No momento, três plantas comerciais estão em operação: uma de 100 kt (quilotoneladas) em Ulsan, Coreia, baseada em tecnologia da Evonik/Uhde; uma de 300 kt em Antuérpia, Bélgica; e uma de 390 kt na Tailândia. As duas últimas plantas baseiam-se em tecnologia da Basf/Dow Chemical.

18. A energia necessária para a produção de metanol como matéria-prima para o processo MTO foi incluída no limite de bateria para a produção de olefinas (ver discussão da definição de SEC nos Anexos 1 e 4).

19. Outras rotas para o óxido de propileno estão listadas no Anexo 2.



Tecnologias de rupturaAs tecnologias de mudança de paradigma basicamente reinventam a forma como algo é feito. Elas percorrem um caminho de desenvolvimento ainda mais sinuoso e difícil que as tecnologias emergentes e com frequência precisam de avanços em várias frentes tecnológicas. Sendo de escala muito maior e envolvendo riscos muito maiores, as tecnologias de mudança de paradigma podem ter períodos de desenvolvimento mais longos que a carreira profissional de muitos cientistas e engenheiros. Essas empreitadas, que são legítimas, precisam de programas especialmente ajustados aos desafios e necessidades de P&D prolongado e de sua subsequente implementação. Também precisam de um substancial financiamento de longo prazo.

A reinvenção da maneira de fazer produtos químicos de grande volume poderia trazer um melhoramento potencial ainda maior que a implementação incremental, BPT ou tecnologias emergentes para a redução de GEE. Comparada com BPT, porém, ela pode resultar em um maior uso de energia (considerando a energia total necessária para operar esses processos no futuro).

A catálise pode desempenhar um papel decisivo, possibilitando que as tecnologias de mudança de paradigma descubram rotas alternativas de reação, como ocorreu no histórico exemplo do processo Haber-Bosch de amônia (ver Boxe 4). Entre os esforços mais recentes estão o melhoramento da geração de hidrogênio para reformadores a vapor de metano,

ou a melhoria de bio-óleos (Jones; Elliot, 2011), bem como a melhoria de alcanos leves (rota direta do metano para metanol, propanol, etc.) (Topcombi, 2007). Outras áreas incluem: síntese de aromáticos a partir de lignina, etanol ou metano; síntese direta de peróxido de hidrogênio a partir de hidrogênio e oxigênio, ou epoxidação direta de propileno com oxigênio. A lista dessas potenciais “reações de sonho” é longa, e a catálise desempenhará papel fundamental na viabilização dessas novas rotas de reação.20 Este roadmap considera dignas de menção duas tecnologias de mudança de paradigma:

• Uso de hidrogênio de fontes renováveis de energia para produzir amônia e metanol.

• Uso de biomassa como matéria-prima.

Produção de amônia e metanol com base em hidrogênio

A geração de hidrogênio é um dos passos de maior consumo de energia na produção de amônia e metanol, que são dois precursores químicos cruciais. A possibilidade de usar hidrogênio de fontes renováveis de energia poderia reduzir significativamente o uso de combustíveis fósseis e a pegada de GEE desses processos. A catálise poderia ser um viabilizador da geração eficiente de hidrogênio, especialmente

20. Notar que a catálise não supera as limitações termodinâmicas intrínsecas, o que em alguns casos pode resultar em baixa conversão, fluxos de reciclagem difíceis (separação intensa em energia) ou grandes fluxos de reciclagem (intensos em energia), ou ainda tornar uma reação impossível sob condições de processo tecnicamente viáveis.

O gás de xisto tornou-se uma fonte cada vez mais importante de gás natural nos Estados Unidos, e o interesse espalhou-se para o potencial de gás de xisto do Canadá, Europa, Ásia e Austrália. A chegada do gás de xisto, seu impacto global e a necessidade de seguir “regras” para possibilitar um desenvolvimento continuado foram recentemente descritos em Regras de ouro para uma era dourada de gás (Golden Rules for a Golden Age of Gas. AIE, 2012).

A recente adoção da produção de gás de xisto mudou consideravelmente a situação das matérias-primas em várias regiões do mundo e, portanto, merece menção, já que estão evidentes significativas oportunidades para melhoramento de catalisadores e seus respectivos processos. As instalações catalíticas de gás para líquido (gas-to-liquid – GTL) de pequena escala são chaves para a exploração economicamente viável de reservas de gás distantes e não convencionais. Sendo transportáveis, tais instalações podem ser

usadas perto do local de produção (tanto em terra como no mar) para converter gás de xisto, gás inalcançável ou gás associado em combustíveis líquidos via síntese de Fischer-Tropsch. Os catalisadores também desempenham um papel fundamental para tornar o mais energeticamente eficiente possível a transformação de gás natural em produtos químicos. O uso de etano e de propano de gás de xisto já estimulou vários produtores a anunciar a construção de novos craqueadores de etano para produção de etileno e plantas de desidrogenação de propano para fazer propileno.

Esses fatos representam excelentes oportunidades para a implementação de tecnologias catalíticas emergentes para olefinas. Além das olefinas, as rotas de gás de baixo custo para aromáticos (BTX) também são interessantes. Esta última área ainda está em seu estágio inicial e precisa de intensos esforços de P&D.

Boxe 5. De gás a líquidos a partir do gás de xisto

23

em áreas como fotocatálise ou eletrólise de água fotovoltaicamente assistida (uso de energia solar para ajudar a decompor a água). Esta opção merece mais pesquisas em três esferas:

• Produção de H2 a partir de decomposição eletrolítica da água, usando eletricidade de fontes renováveis;

• Síntese de amônia a partir de H2 e nitrogênio gasoso (N2), omitindo a reforma a vapor e/ou a reação shift água-gás a partir de gás ou carvão.

• Síntese de metanol a partir de H2, usando carvão ou CO2 como fonte de carbono.

Um dos passos-chave da atual produção de hidrogênio é a decomposição eletrolítica da água, um processo altamente intensivo em energia. Efetivamente, a energia necessária para preparar o hidrogênio precisa ser considerada em vários níveis (Figura 9).21

21 . Os detalhes da análise realizada encontram-se no Anexo 5.

Comparada ao consumo de energia da BPT para a produção de amônia a partir de gás, a síntese de amônia partindo de hidrogênio de fontes renováveis de energia requer uma energia adicional de aproximadamente 26 GJ/tamônia (NH3). Para o metanol (MeOH) a partir de hidrogênio e carvão, são necessários 15,7 GJ/tMeOH adicionais em comparação com a rota da reforma a vapor de gás e 5,6 GJ/tMeOH adicionais em comparação com a rota da oxidação parcial de carvão. A rota de metanol a partir de hidrogênio e CO2 requer a maior energia devido à sua alta demanda estequiométrica de hidrogênio. Essa rota é, porém, interessante sob a perspectiva de economia de GEE.

Admitindo uma taxa de implementação de 30% no ano de 2050 para as rotas de metanol e amônia partindo de nitrogênio, o consumo de energia cresceria em 2,4 EJ (barras de energia total na Figura 10). Assim, a energia total necessária para produzir metanol e amônia, usando hidrogênio de fontes renováveis de energia, seria mais alta (1,16 EJ), embora tenha a vantagem de um menor uso de combustíveis fósseis (barras de economias de energia fóssil na Figura 10).

MeOH

Água

NH3

Ar

Carvão

H2

CO

CO2

H O2

H2

H2

N2

Shift reverso água-gás

Oxidação parcial Síntese de MeOH

Decomposição eletrolítica da água

Compressão de H2

Unidade de separação de ar

Síntese de NH3

PONTO CHAVE: A produção renovável de hidrogênio é atualmente muito intensiva em energia.


Figura 9. Passos do processo de obtenção de hidrogênio por decomposição da água


Para que essa tecnologia de mudança de paradigma se torne uma opção realista no futuro, serão necessárias inovações radicais para gerar hidrogênio com uma demanda de energia significativamente mais baixa e para fornecer quantidades expressivas de hidrogênio excedente partindo de fontes renováveis de energia.

Se o hidrogênio excedente obtido a partir de fontes renováveis puder ser fornecido para esses processos, será possível uma significativa redução de GEE. Admitindo mais uma vez uma taxa de implementação de 30% de substituição de rotas fósseis em 2050, as economias totais viabilizadas ultrapassariam 200 MtCO

2-eq (Figura 11). Isso é em grande parte atribuído a uma geração de hidrogênio neutra em CO2, mas também ao fato de serem evitadas grandes emissões de CO2 no processo da síntese de amônia graças à eliminação de geração de CO2 durante a produção de gás de síntese e durante a reação shift água-gás a partir do gás natural (1 tCO2-eq/tMeOH) ou do carvão (2 tCO2-eq/tMeOH).

Sob uma perspectiva econômica, o custo do hidrogênio de eletrólise é atualmente cerca do dobro do custo a partir de reforma a vapor de gás (ver Anexo 5). Para o cenário de 30% de adoção da produção de amônia e metanol via hidrogênio em 2050, será necessária uma capacidade de geração de energia eólica cerca de três vezes maior que a atual. Apesar de terem potencial para impactar favoravelmente as emissões de GEE, serão necessários melhoramentos significativos da eficiência energética e do custo dessas tecnologias para que se tornem economicamente viáveis e passíveis de ser seriamente consideradas para a produção de HVC. A tecnologia necessária para armazenamento de hidrogênio em grande escala ainda está por ser desenvolvida.

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Nota: % = taxa de implementação da rota de hidrogênio.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: A produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis para uso na produção de

amônia e metanol aumentaria significativamente o consumo de energia para a cadeia

de processos como um todo.

Consumo total de energia - metanol Consumo total de energia - amônia

Economia de energia fóssil - metanol Economia de energia fóssil - amônia

Figura 10. Demanda adicional de energia versus economias de energia fóssil pela substituição dos atuais processos de amônia e metanol pelas rotas baseadas em hidrogênio

25

Biomassa como matéria-prima

O uso de biomassa como matéria-prima para produtos químicos também é considerado uma potencial tec-nologia de mudança de paradigma, principalmente em relação à redução das emissões de GEE, o que poderia ser conseguido de três maneiras. Primeiramente, é óbvio que o aumento do uso de biomassa reduzirá a dependência de combustíveis fósseis, que são a fonte da maior parte das emissões de GEE nos processos químicos. A segunda vantagem das matérias-primas de biomassa fica evidente quando os produtos são ana-lisados usando uma ACV de “berço ao túmulo”. Nesse caso, a contabilidade das emissões inclui o fato de que os materiais da biomassa absorvem CO2 enquanto es-tão crescendo, o que pode ser usado para contrabalan-çar as emissões produzidas durante a fabricação ou até mesmo durante a destruição ou o descarte. Em terceiro lugar, as fontes de biomassa são renováveis, enquanto os combustíveis fósseis são finitos e provavelmente apresentarão maior volatilidade de preços no futuro. Mas esses ganhos em termos de redução de emissões precisam ser comparados com as necessidades de energia de uma produção baseada em biomassa. Esses pontos, bem como o desafio da produção sustentável de fontes de biomassa, são discutidos mais detalhada-mente nos parágrafos seguintes.

As rotas que se baseiam em biomassa são na maior parte processos catalíticos e, portanto, dependem de catalisadores na mesma medida que as rotas conven-cionais baseadas em fósseis. Os processos com base em biomassa estão sendo desenvolvidos em um grande número de projetos de P&D, plantas-piloto e plantas em escala semicomercial. A maior atividade comer-cial tem lugar no Brasil, onde a empresa petroquímica brasileira Braskem opera a primeira planta de etanol em escala industrial baseada em cana-de-açúcar (ca-pacidade de 200 kt/ano) para a posterior produção de polietileno.

Diferentes rotas de produção são consideradas parte da opção de biomassa enquanto tecnologia de mu-dança de paradigma e baseiam-se ou na gaseificação da biomassa (com reações subsequentes que usam o gás de síntese assim gerado), ou na fermentação da biomassa. Para avaliar seu impacto total, toda a cadeia de processos com base em biomassa precisa ser anali-sada.22 As subseções seguintes fornecem resumos para as áreas em que a DECHEMA analisou a substituição por biomassa.23

22. Conforme descrição adicional no Anexo 6. Ver também a discussão da definição de SEC no Anexo 1.

23. No Anexo 6 encontram-se detalhes adicionais.

PONTO CHAVE: A produção de hidrogênio partindo de fontes renováveis para uso na produção

de amônia e metanol poderia resultar em uma significativa diminuição das emissões de GEE.

Fonte: DECHEMA

AmôniaMetanol

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Figura 11. Economias de GEE possibilitadas pela produção de amônia e metanol com base em hidrogênio


Olefinas e síntese de polietileno a partir de biomassa

As olefinas, como etileno e propileno e seus derivados, podem ser fabricadas a partir de biomassa de diferentes maneiras, mas em todos os casos a biomassa (matéria-prima) é convertida em uma matéria-prima secundária, que é então usada para a produção de olefinas. Uma rota comum é a conversão de biomassa rica em açúcar ou amido (tal como cana-de-açúcar, beterraba-sacarina e milho) em etanol (como matéria-prima secundária), que é então convertido (por desidratação) em etileno. Alternativamente, a biomassa pode ser gaseificada, gerando um gás sintético, que é então usado para a produção de metanol (matéria-prima secundária). As olefinas são então produzidas pelo processo MTO anteriormente descrito. A conversão da biomassa (a matéria-prima primária) no combustível (a matéria-prima secundária) para a produção de HVC24 é um processo muito intensivo em energia.

Como um todo, o consumo de energia das rotas de biomassa relevantes é de 3,5 a 5 vezes maior que o das rotas fósseis (Figura 12). A mais alta demanda de energia é a do etanol a partir de cana-de-açúcar (72,5 GJ/tHVC), refletindo a produção relativamente ineficiente do etanol e a energia necessária para a destilação do etanol das correntes de produto, que contêm grandes quantidades de água, mas concentrações relativamente baixas de etanol.

24. Para uma explicação do termo HVC, ver Glossário e Anexo 1: Condições de contorno do modelo DECHEMA.

Em comparação com a demanda de energia para craqueamento da nafta (5 GJ/tHVC), a demanda do processo de produção de olefinas pela gaseificação de lignocelulose seguida de síntese de metanol e MTO é muito alta (64,5 GJ/tHVC).

Observa-se uma considerável variação entre os sistemas estudados e o tratamento dos dados nesta área, mas ainda assim todos os relatos concordam em que as rotas de biomassa precisam de quantidades substanciais de biomassa e grandes volumes de energia baseada em biomassa. As duas rotas de biomassa analisadas (via etanol de cana-de-açúcar e via lignoceluloses de metanol) precisam de 20% a 200% menos energia fóssil, mas no cômputo geral o uso de energia aumenta substancialmente (Figura 13).

A Figura 14 compara as rotas de lignoceluloses via metanol e cana-de-açúcar via etanol. Consideraram-se as taxas de adoção de 2,5% de uso de biomassa em 2020, 5% em 2030 e 10% em 2040. A rota do etanol tem o maior potencial de economia de combustíveis fósseis, com 1,6 EJ em 2040, enquanto a rota do metanol exige menos energia obtida da biomassa, isto é, 2,3 EJ em lugar de 4,7 EJ (Figura 15).25 O consumo total de energia, entretanto, cresce de 2,2 EJ para a rota do metanol e 3,0 EJ para a rota do etanol.

25. As hipóteses básicas deste cenário estão resumidas no Anexo 6.

Lignocelulose via MeOH Cana-de-açúcar via EtOH Craqueamento de nafta

Uso

de

ener

gia

(G

J/t

HV

C)

Produção de HVC Produção da matéria-prima secundária (nafta, MeOH, EtOH)

Produção da matéria-prima primária (petróleo, cana-de-açúcar, biomassa lignocelulósica)

Nota: EtOH = etanol

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: O uso de biomassa como matéria-prima para produtos químicos pode ser de

10 a 15 vezes mais intensivo em energia comparado com as rotas já estabelecidas, que se baseiam

em combustíveis fósseis.

Figura 12. Uso de energia para as rotas de biomassa versus fóssil para fabricação de HVC, incluindo a cadeia de processos total

27

Uso

de

en

erg

ia (

GJ/

t H

VC

)


Fóssil Base biomassa

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: As rotas de biomassa têm potencial de economizar energia fóssil, mas no cômputo

geral demandam uma quantidade substancialmente maior de energia.

Uso

da

en

erg

ia e

xced

ente

ba

sea

da

em

bio

ma

ssa

eec

on

om

ias

de

ener

gia

fó

ssil

(E

J)

Olefinas a partir de biomassa lignocelulósica

Olefinas a partir de cana-de-açúcar





Fóssil Baseada em biomassaNota: % = taxa de implementação do uso de biomassa.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: A mudança de fóssil para biomassa para a produção de olefinas é significativamente

mais intensiva em energia.


Figura 13. Uso de energia de biomassa versus fóssil das rotas comparadas na Figura 12

Uso

de

ener

gia

(G

J/t

HV

C)


Fóssil Base biomassa

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: As rotas de biomassa têm potencial de economizar energia fóssil, mas no cômputo

geral demandam uma quantidade substancialmente maior de energia.

Uso

da

en

erg

ia e

xced

ente

ba

sea

da

em

bio

ma

ssa

eec

on

om

ias

de

ener

gia

fó

ssil

(E

J)







Fóssil Baseada em biomassaNota: % = taxa de implementação do uso de biomassa.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: A mudança de fóssil para biomassa para a produção de olefinas é significativamente

mais intensiva em energia.

Figura 14. Impacto das rotas de biomassa para olefina sobre o consumo de energia da indústria química


A tendência de consumir menos energia fóssil, porém mais energia total, para os processos com base em biomassa continua válida, se for acrescentada a produção de polietileno como um processo subsequente à produção de etileno baseada em biomassa.

A avaliação da produção de polietileno a partir da cana-de-açúcar usando uma ACV de “berço ao portão” mostra que as rotas de biomassa em geral têm um forte potencial de redução de emissões, se for levado em conta o CO2 capturado da atmosfera e sequestrado como carbono no produto com base em biomassa (HUNTER; PEREIRA; HELLING, 2008).26 Olhando para o fim da vida do produto, a combustão de 1 t de HVC com base em fósseis libera cerca de 3,5 tCO2-eq de emissões de GEE. A liberação de carbono dos produtos

26. Por tonelada de polietileno (PE), a rota da cana-de-açúcar precisa de 115 GJ de biomassa e 15 GJ de combustível fóssil, enquanto o consumo de energia de PE com fósseis foi quantificado em 75 GJ/t, incluindo o conteúdo energético do produto (PE) na forma de poder calorífico inferior. Isso significa 80% a menos de energia fóssil para a rota da biomassa, mas 75% a mais de uso total de energia.

com base em biomassa, porém, é neutra em CO227, já

que o respectivo carbono foi originalmente adquirido fotossinteticamente da atmosfera e sequestrado na biomassa.

A Figura 15 ilustra as contribuições de diferentes passos do processo para as emissões de GEE das rotas de biomassa em comparação com o craqueamento de nafta. Comparada com o craqueamento a vapor, a produção de HVC com base na cana-de-açúcar economiza 4,16 tCO2-eq/tHVC; e o MTO com base em lignoceluloses, 3,65 tCO2-eq/tHVC. Usando-se o mesmo cenário até 2040, tal como na Figura 14, a economia anual seria de 260 MtCO2-eq para a rota do etanol ou 110 MtCO2-eq para a rota do metanol. Visto que uma avaliação de ciclo de vida abrangente está além do escopo deste roadmap, essas afirmações refletem uma visão idealizada e teórica. Os GEE associados às mudanças de uso da terra, agricultura, colheita, transporte e processamento da biomassa não são considerados, o que pode tornar as rotas de biomassa mais intensivas em GEE que as rotas de combustível fóssil. Os impactos de carbono e energia da biomassa precisam ser avaliados caso a caso, usando-se metodologias de ACV.

27. Na verdade, o balanço total de CO2 da biomassa não é neutro, pois este cálculo não inclui emissões geradas por cultivo, colheita, transporte e processamento da biomassa, nem as mudanças de uso da terra, que precisariam ser levadas em conta.

GE

E (

tCO

eq

/t

HV

C)

2

PONTO CHAVE: O conteúdo de carbono da biomassa usada como matéria-prima primária permite

que o processo se inicie a partir de um ponto de emissões “negativas”, reduzindo significativamente

o CO total do produto final e potencialmente chegando até a emissões neutras em CO .2 2

Cana-de-açúcar via EtOH Craqueamento de nafta

Fonte: DECHEMA.

Lignocelulose via MeOH

Co captado pelo biomassa2 Produção da

matéria-prima primária

Produção da

matéria-prima secundária

Produção de HVC

Figura 15. Emissões de GEE para rotas de biomassa versus fósseis para HVC, incluindo a cadeia de processos total

29

Analogamente à tecnologia de mudança de paradigma do hidrogênio, as atuais rotas de base biológica para as matérias-primas químicas precisam melhorar significativamente o consumo total de energia e o custo para ser largamente usadas como matérias-primas de grande escala. Além disso, estão aumentando as preocupações sobre a quantidade de terra agricultável necessária para uma infraestrutura de matérias-primas de base biológica de grande volume e sobre sua potencial concorrência com a produção de alimentos. Está claro que são necessárias pesquisas adicionais.

Ações e marcos tecnológicosTais constatações do cenário DECHEMA mostram que a implantação de BPT oferece o maior potencial de curto e de médio prazo para reduzir a demanda de energia e as emissões de GEE na indústria química, porém alcançar a verdadeira magnitude potencial dos ganhos com catalisadores está além das possibilidades das BPT, deixando aberta a questão a respeito de onde os envolvidos podem realizar os melhores retornos sobre P&D e investimentos. As pesquisas da DECHEMA identificaram quatro áreas principais nas quais se espera que os investimentos em tecnologias catalíticas produzam um retorno médio ou alto sobre o

Tecnologia Melhoramentos necessários Atual estágio de desenvolvimento

Eficiência de produção de matérias-primas: olefinas

Pesquisa fundamental

Craqueadores catalíticos de

nafta e craqueador de

etano/propano

Viabilidade para craqueadores de gás

naturalEscala-piloto para craqueadores

catalíticos de nafta; escala de laboratório

para desidrogenação oxidativa de etano

Metanol para olefinas Melhoramentos de eficiência e

catalisadores MTOEmergente, primeiras plantas comerciais

Meios alternativos de produção de combustíveis: combustíveis Retorno sobre investimento: ALTO

Tecnologias gás para líquido:

Síntese de Fischer-Tropsch com

subsequente conversão dos

produtos via hidroisomerização

e hidrocraqueamento, bem como

oligomerização de olefinas

Melhoramentos de processo, pequenas

instalações móveis para produção em

áreas longínquas para acessar gás até

então inalcançável

Comercial

Biomassa como matéria-prima: etanol/etileno e aromáticos Retorno sobre investimento: MÉDIO

Sacarificação de lignocelulose

para bioetanol como matéria-

prima para etileno

Processos e sistemas biocatalíticosEstágio de pesquisa

Lignina a aromáticos (BTX) Despolimerização de componentes de

lignina e desfuncionalizaçãoPesquisa fundamental

Produção de hidrogênio Retorno sobre investimento: MÉDIO

Eletrólise da água Processos otimizados para operação

irregular; melhoramento da estabilidade

para operação sob pressão (30 a 40

bars); desenvolvimento de eletrodos

com baixo teor de metais nobres e

outros elementos raros

Comercialmente disponível em

instalações de tamanho pequeno a médio

Decomposição fotocatalítica

da água

Desenvolvimento em escala de

laboratório de materiais de eletrodo

altamente eficientes (desempenho) e

resistentes à corrosão (longevidade)

bem como de tecnologias de

processamento; desenvolvimento de

eletrodos sem metais nobres e outros

elementos raros e com redução > 50%

de sobrepotencial na geração de H em 2

relação ao estado atual

Retorno sobre investimento: ALTO


Tabela 3. Principais oportunidades de desenvolvimento de catalisadores/ processos e necessidades tecnológicas


investimento: eficiência de produção de matérias-primas para olefinas, rotas alternativas para produção de combustíveis, uso de biomassa como matéria-prima para etanol/etileno e BTX e produção alternativa de hidrogênio (Tabela 3).

O fato de que o trabalho a ser realizado é de longo prazo justifica o estabelecimento de marcos de alto nível (Tabela 4), e as substanciais barreiras técnicas e os altos custos de investimento (particularmente para

áreas com alto retorno sobre investimento) criam a necessidade de um esforço coletivo de todos os en-volvidos, inclusive academia, institutos de pesquisa e parceiros industriais. Os governos precisam desempe-nhar o papel de viabilizador, estabelecendo políticas que encorajem colaborações e investimentos de longo prazo.

Marco Passos dos avanços em tecnologia catalítica Época

Fazer avançar o craqueamento

catalítico até a implementação

comercial.

Catalisadores com maior rendimento

de olefinas leves;

Reduzir coqueificação;

Gerenciamento do catalisador gasto

2018-2023

Fazer avançar a desidrogenação

oxidativa catalítica de alcanos

leves a etileno até a escala

de demonstração.

Evitar oxidação adicional, oxidação parcial ou

craqueamento térmico a temperaturas de

reação mais altas;

Aumento do rendimento de olefinas

com maiores conversões.

2023-2028

Hidrogênio por eletrólise da água. Eficiência igual ou superior a 80%;

Operação dinâmica flexível2018-2023

Tabela 4. Marcos para melhoramentos tecnológicos dos principais processos

31

Tendo explorado alguns caminhos potenciais para melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões da indústria química, esta seção, de caráter visionário, delineia alguns achados específicos do trabalho de modelagem da AIE e da DECHEMA. Deve-se recordar que ambas as abordagens partem dos atuais volumes de produção com base em dados fornecidos pela SRI Consulting (IHS) e outras previsões de crescimento semelhantes.

O crescimento esperado para os 18 produtos químicos28 com base nos dados fornecidos pela SRI Consulting é apresentado na Figura 16. Esses números foram usados para o trabalho de modelagem da DECHEMA. Os números para além do ano de 2030 foram extrapolados linearmente.

28. Os BTX estão representados como produtos separados e por esse motivo aparecem 20 produtos.

Os volumes de produção esperados para amônia e metanol na China estão fundamentados em dados gentilmente fornecidos pela China Petroleum and Chemical Industry Federation (CPCIF). Segundo se espera, os volumes de produção crescerão por um fator de 2,0 entre 2010 e 2030 e de 2,8 em 2050. Isso corresponde a um crescimento anual de produção de 2,6% para 2010-2050, ou 3,3% para 2010-2030.

No mundo em geral, o impacto potencial dos volumes crescentes de produção variarão conforme o estágio de desenvolvimento de cada país, sua maturidade industrial, seu crescimento esperado e sua disponibilidade de matéria-prima. O consumo de energia e as emissões de GEE acompanharão o crescimento da produção, que, segundo se espera, será mais alto nos países emergentes (Figura 22). Os mais altos crescimentos de volume de produção química

Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados

Vo

lum

e d

e p

rod

uçã

o (

Mt)

Amônia Metanol Etileno Propileno Benzeno Tolueno Xileno misto

Acrilonitrila Caprolactama Cumeno Etileno glicol Óxido de etileno Para-xileno Fenol

Polietileno Polipropileno Óxido de propileno Estireno Ácido tereftálico Monômero de cloreto de vinila

Fonte: Dados da SRI Consulting (IHS).

PONTO CHAVE: Espera-se um crescimento significativo do volume de produção no

setor químico e petroquímico.


Figura 16. Previsão de volumes de produção química entre 2010 e 2050


esperados para o período considerado (2010-2050) deverão ocorrer na China e na América Latina (> 400% em ambos), seguidas da Índia (340%) e do Oriente Médio (320%), enquanto a América do Norte (210%) e a Europa (170%) têm um crescimento mais lento ou uma taxa de crescimento menor. Um fator que poderia alterar esse panorama regional seria a chegada do gás de xisto em algumas regiões, tais como a costa do golfo nos Estados Unidos, o que poderia impactar positivamente o crescimento nessa região.

Embora as projeções de produção e a análise regional dos modelos AIE e DECHEMA sejam similares, os resultados finais para o potencial de economias de energia e redução de emissões em 2050 são um tanto diferentes. Isso é um reflexo das divergências entre os dois modelos em termos do que cada um mede e como os resultados são calculados (como será descrito nas duas seções seguintes e na Tabela 5). Um ponto importante é que ambos encontram oportunidades para economia em ambas as áreas.

Cenários da AIE: catálise e mais...Esta seção descreve o potencial para melhoramentos de processos catalíticos e outros processos relacionados, com base nas tecnologias necessárias para alcançar o 2DS mencionado no ETP 2012 da AIE (ver Boxe 2). Assim como o trabalho da DECHEMA, esta abordagem avalia as opções de tecnologia cobertas nesta análise, inclusive a implementação de BPT a curto prazo; e a longo prazo avalia as novas tecnologias que permitiriam que o setor reduzisse significativamente tanto sua demanda de energia quanto sua intensidade de CO2. Entretanto a gama de tecnologias exploradas é mais ampla, incluindo desenvolvimento de catalisadores, membranas e outros processos de separação; intensificação de processos; processos de base biológica e captura e armazenamento de carbono (CAC) em plantas de amônia; cogeração industrial; e produção de HVC. A reciclagem e a recuperação de energia também desempenham papéis importantes.

Atual potencial para economias de energia no setor químico

A energia e as matérias-primas no setor químico e petroquímico responderam por aproximadamente 10% da demanda final de energia no mundo em 2010, o que equivale a 36 EJ (AIE, 2012). Com base nos níveis de produção do mesmo ano, as potenciais economias de uma implantação mais ampla de BPT (incluindo calor e eletricidade de processo) são estimadas em 5,6 EJ/ano (Figura 17), no entanto isso representa apenas 53% do potencial total de economias, calculado em 10,5 EJ/ano na análise da AIE com base em volumes de produção de 2010. Podem ser realizadas economias adicionais com intensificação de processo, cogeração, reciclagem e recuperação de energia. Em 2050, esse nível de economias de energia proporcionaria uma redução de emissões de 346 MtCO2/ano (AIE, 2009).

Modelo Economias de energia Redução de emissões

AIE 16,0 EJ 1,6 GtCO /ano 2

(Caso de baixa demanda)

1,8 GtCO /ano 2

(Caso de alta demanda)

DECHEMA 13,2 EJ 1,0 GtCO -eq/ano2

Tabela 5. Economias de energia e redução de emissões projetadas para 2050 pelos dois modelos

33

Dada a incerteza de uma projeção do crescimento de longo prazo do consumo de materiais, a AIE desenvolveu duas variantes para cada um dos cenários usados para analisar o setor químico neste roadmap. A hipótese do produto interno bruto (PIB) é a mesma para ambas as variantes, entretanto as duas variantes refletem diferentes níveis de desacoplamento entre crescimento econômico e demanda de produtos químicos e petroquímicos.

Considerando-se um ponto de partida no qual a demanda média anual de HVC é de 44 kg/cap (quilogramas per capita) em 2010, as variantes projetam para 2050:

• Um aumento para 87 kg/cap, sendo 1,7% a taxa média de crescimento anual no Caso de Baixa Demanda.

• Um aumento para 105 kg/cap no Caso de Alta Demanda, com taxa média de crescimento anual de 2,2%.

As variações de produção são explicadas em grande medida pelo aumento da reciclagem de lixo plástico pós-consumo, que poderia reduzir a demanda de HVC (Tabela 6).

Nota: Os números de produção (da SRI e CPCIF) usados no cenário DECHEMA estão na mesma faixa e, de modo geral, correspondem ao Caso de Alta Demanda.

Boxe 6. Casos de Baixa e Alta Demanda de produtos químicos da AIE

Con

sum

o de

ene

rgia

(EJ

)

Tecnologia de melhor prática (potencial de economia de calor de processo)

Potencial de economia de eletricidade Reciclagem e recuperação de energia

Co-geração Intensificação de processo

Japão Coreia EstadosUnidos

Canadá China Índia Brasil Europa OCDE Outros

Nota: O potencial de economias de energia está baseado nos níveis de produção de 2010.

Fonte: AIE.

PONTO CHAVE: A análise da AIE mostra que o potencial mundial de economia de energia do setor

químico é de cerca de 10,5 EJ. As contribuições mais significativas vêm da implementação de BPT

e da reciclagem e recuperação de energia.


Figura 17. Atual potencial de economias de energia para produtos químicos e petroquímicos, com base na implementação de BPT


Baixa Demanda

Alta Demanda

Eficiência energética Recuperação de energia

Substituição de combustível

CAC

PONTO CHAVE: A eficiência energética, CAC e recuperação de energia dão as contribuições mais

significativas para a redução de emissões de CO .2

Fonte: AIE.

Caso de Baixa Demanda Caso de Alta Demanda

Etileno

Propileno

Aromáticos BTX

Total de HVC

Amônia

Metanol

Notas: BTX = benzeno, tolueno e xileno misto; HVC = produtos químicos de alto valor.

Fonte: AIE

Entre 2010 e 2050, a produção de HVC cresce 125% no Caso de Baixa Demanda e 134% no Caso de Alta Demanda. O maior crescimento na demanda de HVC é esperado na África e no Oriente Médio. Espera-se que a produção de metanol mais que triplicará no Caso de Baixa Demanda e quase quadruplicará no Caso de Alta Demanda. A produção de amônia cresce entre 63% (Caso de Baixa Demanda) e 89% (Caso de Alta Demanda).

Redução projetada de emissões de CO2 no cenário da AIE

Os melhoramentos na eficiência energética, sendo estreitamente vinculados ao roadmap da catálise, respondem pela maior fatia – mais que 60% – da redução de emissões projetada no 2DS da AIE (Figura 18). Outras reduções importantes são obtidas por meio de CAC (25%) e recuperação de energia (8%). A substituição de combustível de carvão para gás responde por apenas 4% ou menos. Em 2050, as economias anuais são aproximadamente 1,6 GtCO2 no Caso de Baixa Demanda e aproximadamente 1,8 GtCO2 no Caso de Alta Demanda.

Baixa Demanda

Alta Demanda

Eficiência energética Recuperação de energia

Substituição de combustível

CAC

PONTO CHAVE: A eficiência energética, CAC e recuperação de energia dão as contribuições mais

significativas para a redução de emissões de CO .2

Fonte: AIE.

Caso de Baixa Demanda Caso de Alta Demanda

Etileno

Propileno

Aromáticos BTX

Total de HVC

Amônia

Metanol

Notas: BTX = benzeno, tolueno e xileno misto; HVC = produtos químicos de alto valor.

Fonte: AIE

Tabela 6. Produção de produtos químicos de alto valor, amônia e metanol por cenário, em 2050

Figura 18. Impacto potencial de tecnologias de redução de emissões diretas de CO2, 2DS versus 6DS

35

Resultados regionais

No Caso de Baixa Demanda do 6DS29, o uso de energia no setor químico poderia crescer de 42 EJ em 2010 para 85 EJ em 2050. No Caso de Alta Demanda, cresce para 96 EJ. No Caso de Baixa Demanda do 2DS, projeta-se que o consumo de energia vá crescer para apenas 65 EJ, porque a maior eficiência energética e o aumento da reciclagem reduzem a intensidade de energia. O 2DS também assume um nível mais alto de uso de

29. Para descrições do 6DS e 2DS, ver Boxe 2.

biomassa e lixo, o que corresponde a 4% no Caso de Baixa Demanda e 5% no Caso de Alta Demanda do uso total de energia química em 2050. Espera-se que mais da metade do potencial de economia de energia no 2DS venha da China (8,4 EJ) e do Oriente Médio (4,7 EJ). Espera-se que menos de um terço do potencial de economias de 16 EJ venha das regiões da OCDE (Figura 18).

A CAC poderia ser uma tecnologia de vital importância para o setor químico, bem como para a indústria em geral, com base no impacto projetado de redução de 25% das emissões de CO2 em 2050, como foi observado no CAC no Roadmap de Aplicações Industriais (AIE, 2011).

Seu uso na indústria química, porém, apresenta desafios específicos. A CAC é uma tecnologia de redução de emissões relativamente cara devido à grande necessidade de energia e é mais eficiente e econômica quando captura grandes quantidades de CO2 de pureza relativamente alta. As grandes instalações de produção de amônia, metanol, óxido de etileno, hidrogênio e produtos da gaseificação de carvão poderiam ter escala suficiente para tornar a CAC financeiramente viável (dependendo da localização). Os craqueadores também podem ser fontes de grande volume (1 MtCO2/ano), mas seu gás de combustão é mais diluído (4% a 7% de CO2, o que é uma concentração mais baixa que a das usinas termoelétricas a carvão, que podem ter de 10% a 12% de CO2), elevando os custos de captura de CO2.

A CAC é uma tecnologia nova, que precisa de desenvolvimento e investimento significativos para chegar à escala industrial. Existem projetos de grande escala em andamento para desenvolver

a captura de CO2 em um craqueador de refinaria (Noruega) e em uma instalação de amônia (Texas, Estados Unidos). O transporte de CO2 é o elo crucial entre as fontes de emissão de CO2 e os locais de armazenamento, mas até esta data as necessidades de tecnologia e infraestrutura receberam atenção insuficiente.

O 2DS do ETP sugere que, no ano de 2050, o sequestro anual no setor químico deverá alcançar 467 MtCO2. Desenvolver a tempo a CAC no setor químico exigirá um arcabouço coerente de políticas mundiais, que forneçam regulamentação apropriada, bem como incentivos econômicos por meio de preços de carbono e outros instrumentos para garantir que haverá instalações de transporte de CO2 e espaço para armazenamento de CO2 nas proximidades das instalações químicas.

As partes interessadas no setor também devem aproveitar oportunidades de usar o CO2, em vez de meramente armazená-lo, como está sendo feito atualmente em projetos de recuperação secundária de petróleo (CO2-RSP). Vários projetos de CO2-RSP bombeiam CO2 captado de fontes químicas para reservatórios de petróleo para aumentar a pressão e dessa forma facilitar a recuperação de hidrocarbonetos. Podem ser concebidos procedimentos para reter CO2 adicional na formação.

Boxe 7. Captura e armazenamento de carbono (CAC)



Cenários da DECHEMADe acordo com o cenário de melhoramento incremental da DECHEMA, entre 2010 e 2050 a intensidade média de energia de todos os processos vinculados aos 18 produtos poderia diminuir em 19%, passando de 11,0 GJ/tproduto para 9,0 GJ/tproduto (Figura 6); entretanto pode ser um equívoco calcular economias de energia por tonelada de produto em termos de uso de energia e emissões de GEE totais. Mesmo com os avanços de tecnologia e eficiência assumidos, o grande aumento de consumo esperado para esses 18 produtos químicos e o consequente volume global de produção poderiam ainda resultar em um aumento de 6,5 EJ no consumo total de energia no ano de 2050.

Os avanços em catálise e processos relacionados podem dar uma significativa contribuição para neutralizar a esperada elevação de uso de energia à medida que a indústria cresce para atender à demanda de materiais da sociedade. Embora as economias de energia não contrabalancem completamente a elevação total de energia esperada para o crescimento de produção projetado (Figura 7), o potencial de economias acumuladas até 2050 é igual à atual demanda primária de energia de um país industrializado de tamanho médio.

Vários impulsores poderiam influenciar as taxas de crescimento projetadas. Em 2050, os melhoramentos incrementais, a implementação de BPT e as tecnologias emergentes poderiam proporcionar 13,2 EJ de economia de energia (Figura 20) – cerca de 50% da demanda total sob condições de BAU à época. A implementação das tecnologias de mudança de paradigma que foram investigadas (isto é, processos com base em biomassa e hidrogênio) precisaria de energia adicional, o que é representado como economias negativas de energia na Figura 20.

Analogamente, a implementação de melhoramentos incrementais, BPT e tecnologias emergentes mostra um significativo potencial de proporcionar reduções de emissões de GEE: em 2050, poderiam ser evitadas 997 MtCO2-eq/ano, em comparação com o cenário de BAU, o que equivale a 80% das emissões da indústria química em 2010 (Figura 21). As tecnologias de ruptura (game changers) de paradigma poderiam acrescentar contribuições ainda maiores mais futuramente, se os riscos forem reduzidos e os investimentos tecnológicos forem feitos.

Co

nsu

mo

de

ener

gia

(E

J)

OCDE América OCDE Europa OCDE Pacífico China Índia

Outros em desenvolvimento Ásia

Não OCDE Europa e Eurásia América Latina África Oriente Médio

Nota: Exclui mudanças de uso de matéria-prima.Fonte: AIE.

PONTO CHAVE: O maior potencial de economia de energia do setor químico está nas regiões de

mais forte crescimento projetado, isto é, China e Oriente Médio.

Figura 19. Economias de energia por região no Caso de Baixa Demanda

37

Eco

no

mia

s to

tais

de

ener

gia

(E

J)

Melhoramento incremental BPT conservador BPT otimista Tecnologias emergentes Biomassa Hidrogênio

Nota: A linha preta representa o eixo zero.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: As tecnologias de mudança de paradigma podem proporcionar reduções de GEE,

mas podem consumir energia adicional.

Eco

no

mia

to

tal d

e G

EE

(G

tCO

eq

)2

Nota: Os cenários de biomassa e hidrogênio incluem o cenário de tecnologias emergentes.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: As tecnologias de mudança de paradigma poderão, a longo prazo, permitir uma

redução adicional das emissões de GEE.


Eco

no

mia

s to

tais

de

ener

gia

(E

J)


Nota: A linha preta representa o eixo zero.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: As tecnologias de mudança de paradigma podem proporcionar reduções de GEE,

mas podem consumir energia adicional.

Eco

no

mia

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tal d

e G

EE

(G

tCO

eq

)2

Nota: Os cenários de biomassa e hidrogênio incluem o cenário de tecnologias emergentes.

Fonte: DECHEMA.

PONTO CHAVE: As tecnologias de mudança de paradigma poderão, a longo prazo, permitir uma

redução adicional das emissões de GEE.



Figura 20. Potencial de economia de energia por meio de avanços em catalisadores e processos relacionados em todas as categorias

Figura 21. Potencial de evitar emissões de GEE por meio de avanços em catalisadores e processos relacionados em todas as categorias em comparação a BAU


Resultados de impacto regional do cenário da DECHEMA

Os cenários da DECHEMA dão uma projeção das economias potenciais de energia de 13,2 EJ/ano em 2050. Como os cenários com base em catálise não incluem (ou incluem parcialmente) as contribuições da reciclagem, da recuperação de energia ou da

cogeração e estão limitados aos 18 principais produtos viabilizados pela catálise, esse valor é um tanto menor que os 16 EJ calculados pelo modelo da AIE. A distribuição regional do impacto é semelhante nas modelagens da DECHEMA e da AIE.

Economias de energiaIncremental

Econ

omia

s: in

crem

enta

l (EJ

/an

o)

Incremental + BPT + tecnologias emergentes

Econ

omia

s: in

crem

enta

l + B

PT +

em

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(EJ

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o)

Economias de GEE

Incremental

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omia

s: in

crem

enta

l (G

tCO

-eq/

ano)

2

Incremental + BPT + tecnologias emergentes

Econ

omia

s: in

crem

enta

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BPT

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OCDE América OCDE Europa OCDE Pacífico China Índia

Outros em desenvolvimento Ásia

Não OCDE Europa e Eurásia América Latina África Oriente Médio

Fonte: DECHEMA

PONTO CHAVE: A escala dos resultados da DECHEMA é semelhante à da abordagem da AIE,

esperando-se os maiores aumentos de consumo de energia e de emissões de GEE na China e no

Oriente Médio.

Figura 22. Impacto regional dos cenários incremental, BPT otimista e emergente da DECHEMA comparados a BAU

39

A expectativa é que o crescimento na China continue forte. À medida que são construídas novas plantas, é grande o potencial para se instalarem BPT e operar essas instalações com as melhores práticas. Em 2050, a China poderia responder por cerca de 5,3 EJ (40%) das potenciais economias de energia de 13,2 EJ. Em 2008, a indústria petroquímica da China usou 430 Mt de carvão comum (1 EJ corresponde a aproximadamente 34 Mt de carvão comum). Os dados sugerem que essas reduções de energia poderiam ser uma contribuição significativa para a meta de redução de 20% do 12º Plano Quinquenal. Será crítico ter uma forte implementação da propriedade intelectual para estimular a adoção das melhores tecnologias globais na China. Não obstante, esse valor mostra que, para alcançar maiores potenciais de melhoramento, será importante ter políticas que permitam acessar os melhoramentos em BPT, tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma.

Os impactos potenciais dos catalisadores variam com a região, os avanços tecnológicos e as matérias-primas. Nas regiões industrializadas, onde o crescimento da produção é modesto, a implementação de BPT e tecnologias emergentes poderia levar a uma

possível diminuição (OCDE Europa) ou pelo menos a uma estagnação (OCDE Pacífico) do consumo de energia (Figura 23). Algumas reduções somente serão possíveis se for viabilizado o alto nível de investimentos necessários para BPT e tecnologias emergentes. O presente trabalho não consegue ver uma redução maior, se for mantida a base de produção. Com relação a matérias-primas, a Europa e partes da Ásia já recorrem pesadamente à nafta, de modo que os avanços no craqueamento catalítico com base em nafta (isto é, uma tecnologia emergente) provavelmente serão aplicados em primeiro lugar e terão um impacto maior nessas regiões. As tecnologias de mudança de paradigma também seriam influenciadas por diferenças regionais. À medida que o uso de biomassa se torna mais estabelecido na América do Sul, essa tecnologia de mudança de paradigma poderia ter um impacto nesse continente mais cedo que nos outros. As regiões com uma grande fatia de energia renovável podem ter maior oportunidade de combinar os avanços da catálise associada à produção de gás de síntese e de se tornar líderes do desenvolvimento de hidrogênio a partir de fontes renováveis.

OCDE Europa

Ener

gia

(EJ)

China

Ener

gia

(EJ)

OCDE Pacífico

Ener

gia

(EJ)

Oriente Médio

Ener

gia

(EJ)

BAU Melhoramento incremental BPT conservador BPT otimista + tecnologias emergentes

Nota: Os cenários BPT aqui incluem a implementação de tecnologias emergentes.

Fonte: DECHEMA

PONTO CHAVE: As regiões industrializadas poderiam estabilizar ou diminuir o consumo de energia

por meio da implementação de melhoramentos. As regiões em desenvolvimento, porém, ainda terão

um aumento, devido ao mais forte crescimento da produção.


Figura 23. Consumo de energia por cenário para quatro diferentes regiões do mundo


A maior rapidez de crescimento de emissões acontece na Ásia, na África e no Oriente Médio, o que está de acordo com os aumentos esperados para a produção química e petroquímica. A recíproca é que, se essas regiões implementassem impactos incrementais, BPT e tecnologias emergentes, teriam maior potencial para contribuir substancialmente para a redução de emissões de CO2. Nos países da OCDE, as emissões diminuem à medida que os melhoramentos de eficiência contrabalançam o pequeno aumento associado a um crescimento relativamente pequeno da fabricação de produtos químicos.

Necessidades de recursosA fim de realizar economias de escala na fabricação de produtos químicos de grande volume, os fabricantes tendem a construir plantas muito grandes. Isso torna a indústria muito intensiva em capital e também significa que cada planta geralmente consome quantidades muito grandes de energia. Demonstra também que os custos de capital para modificar ou substituir esses ativos a fim de melhorar a eficiência energética são significativos.

Usando-se um banco de dados administrado pelo American Chemistry Council (ACC), que mantém informações históricas detalhadas sobre a indústria química dos Estados Unidos, inclusive volumes, investimentos e consumo de energia, é possível estimar os custos de capital necessários para um melhoramento energético continuado. Nos Estados Unidos, de 1995 a 2010, a eficiência energética do setor melhorou em média cerca de 2% ao ano (o equivalente a cerca de 0,13 EJ/ano)30. Os dados do ACC sobre investimentos dos Estados Unidos destinados a “melhoramentos energéticos” apontam para gasto contínuo de aproximadamente 600 a 700 milhões de dólares por ano, o que equivale a cerca de 4% do investimento total do setor. É possível que esse valor esteja subestimado, já que muitos investimentos em melhoramentos energéticos estão embutidos em investimentos de base e não em projetos isolados de eficiência energética.

A fim de melhor estimar o investimento total referente à energia, podemos considerar as economias monetárias médias obtidas por ano e determinar qual o nível de investimento que poderia ter sido sustentado por essas economias, admitindo um retorno sobre o investimento razoável. O cálculo partiu de um custo de energia de US$ 4,75/GJ e um retorno em cinco anos, antes dos impostos. Isso sugere um investimento anual nos Estados Unidos para eficiência energética de US$ 2,4 bilhões (base 2010), cerca de 11% do investimento químico total dos Estados Unidos.

30. 0,13 EJ/ano = 126 trilhões de BTU/ano.

Essa é uma estimativa mais realista dos gastos totais de capital necessários para sustentar as taxas recentes de melhoramento energético.

Falando de maneira simplista, visto que a produção dos Estados Unidos representa cerca de 19% da produção química mundial, poderíamos estimar que seria necessário um nível global de investimento energético de cerca de US$ 13,2 bilhões por ano (base 2010) para sustentar uma taxa global de melhoramentos energéticos de 2% ao ano a curto prazo. No modelo de projeção da DECHEMA, isso representa melhoramentos incrementais constantes e, além disso, um nível significativo de implementação de BPT. É de se esperar que os investimentos para implementar BPT adicionais sejam economicamente menos atraentes e mais intensivos em capital, já que os investimentos mais atraentes recebem os primeiros financiamentos.

Um melhoramento contínuo de 2% até 2050 é um cenário altamente otimista, melhor que o modelo BPT otimista. À medida que as principais plataformas amadurecem ainda mais e se aproximam da eficiência energética “teórica máxima”, seriam necessários níveis de investimento muito mais altos para sustentar essa taxa de melhoramento. Os incentivos relativos para investimentos em eficiência energética precisarão crescer para manter um ganho anual de 2%.

Fatores tais como volume específico de crescimento regional, disponibilidade e custo de matérias-primas e época da obsolescência das plantas afetarão as decisões sobre investimentos em eficiência energética, assim como a importante questão do desenvolvimento e do ciclo de vida de novos catalisadores. Até mesmo um catalisador “drop-in” (intercambiável sem necessidade de modificar as instalações) tipicamente leva três anos ou mais para ser desenvolvido e testado. A plena implementação comercial muitas vezes é atrasada devido ao agendamento de paradas planejadas da planta. Dez anos é um prazo típico para uma taxa de adoção de 80% em todo um processo para um catalisador com benefícios claros e substanciais. Os novos catalisadores que precisam de investimento substancial de capital demoram mais para ser plenamente comercializados. As necessidades de recursos e o cronograma de tecnologias emergentes são muito difíceis de estimar devido aos muitos passos envolvidos, incluindo quantidades significativas de P&D, engenharia, planta-piloto, aumento de escala, autorizações e decisões de investimento. Não existem atualmente estudos abrangentes para tais desenvolvimentos, mas é possível ter um panorama com dois exemplos históricos:

• Foram desenvolvidos nos anos 1980 significativos melhoramentos nos processos de polipropileno na forma do processo Spheripol em suspensão da Montell e do processo de fase gasosa da Unipol,

41

ambos viabilizados por catalisadores de maior rendimento ou maior seletividade. Esses processos de maior eficiência substituíram muitas plantas de suspensão mais antigas, mas a transformação ainda não está 100% completa.

• Os catalisadores de metaloceno começaram a substituir os catalisadores Ziegler-Natta para a produção de polietileno nos anos 1990. Nos últimos 20 anos, foram realizados numerosos melhoramentos, e o número de plantas que usam essa tecnologia cresceu significativamente. Ela está atualmente sendo usada em diversas plataformas de processo e famílias de produtos.

Um salto no melhoramento de catalisadores e proces-sos relacionados requer um esforço exclusivo durante muitos anos e consequentemente precisa de financia-mento contínuo por um período relativamente longo. A colaboração entre indústria e governo é muitas ve-zes eficaz para financiar novas descobertas e superar as barreiras técnicas fundamentais.



Embora esteja fora do escopo deste roadmap, o impacto dos catalisadores em algumas grandes aplicações fora da área química e petroquímica justifica um breve exame. As informações quantitativas para essas áreas foram difíceis de obter. Os sumários abaixo destacam os impactos que a DECHEMA conseguiu vislumbrar. Visto que os dados disponíveis eram limitados, e a análise foi, quando muito, semiquantitativa, é bem possível que os impactos sejam mais importantes que o relatado neste roadmap. Seriam necessários estudos adicionais para chegar a conclusões mais rigorosas.

Refinarias

Alguns processos de refino de óleo bruto são fortemente dependentes de catalisadores, o que torna as refinarias uma das maiores aplicações de catalisadores. O processo de refino envolve a separação do óleo bruto em frações de hidrocarbonetos, bem como o craqueamento, a reestruturação, o tratamento e a mistura das moléculas de hidrocarbonetos para gerar os produtos de petróleo. Os principais passos catalíticos do processo são o craqueamento catalítico, a reforma catalítica, e o hidrotratamento catalítico31. A BP estima que a capacidade mundial das refinarias de petróleo em 2010 era de 91,8 milhões de barris/dia (BP, 2011). Alguns dados representativos: os Estados Unidos têm cerca de 150 refinarias, correspondendo a cerca de 25% da produção mundial (AMO, 2007), consomem 3,4 EJ de energia e emitem cerca de 244 MtCO2-eq de GEE relacionados a processos (AMO, 2012). Esses números refletem todas as operações das refinarias, inclusive os primeiros passos da destilação do óleo bruto, que são os maiores consumidores de energia e não são catalíticos.

Para os três processos catalíticos citados, o consumo mundial total de energia é estimado em cerca de 2 EJ/ano. Estudos mostram que nos Estados Unidos as refinarias BPT consomem 20% a 30% menos energia que a média do setor (Energetics Incorporated, 2006) (ver Anexo 7). Presumindo-se que essa redução é globalmente aplicável por meio de uma implementação completa de BPT, as economias potenciais de energia seriam de 0,5 EJ/ano. Isso ainda está bem acima da mínima energia teórica para esses processos e portanto ainda é possível que se realizem economias adicionais com inovações radicais na tecnologia de catálise ou de processo.

Embora esta visão seja de alto nível e incompleta, as potenciais oportunidades da catálise no refino sugerem que ainda podem ser alcançadas significativas economias de energia e GEE, mesmo em uma indústria muito madura como essa. Seriam necessários estudos e análises adicionais para construir uma visão abrangente das oportunidades da catálise e um roadmap detalhado para o refino.

31. Explicado no Anexo 7.

Outras aplicações industriais de catalisadores

Os catalisadores também podem impactar a eficiência energética e a redução de emissões em outras aplicações industriais, e algumas estão sumarizadas a seguir.

• Detergentes de baixa temperatura: As enzimas agem como biocatalisadores em detergentes de lavagem e permitem maior eficiência de limpeza e/ou menores temperaturas de lavagem, proporcionando economias de energia e GEE. Um estudo quantificou as economias potenciais anuais de GEE em 81 MtCO2-eq e as economias relacionadas ao uso de produto em 92 MtCO2-eq (McKinsey, 2009). Possibilitando limpeza eficaz a temperaturas de lavagem mais baixas (30°C em lugar de 40°C a 50°C), as enzimas detergentes reduzem o consumo de energia em 50% na fase de uso de detergente (para cerca de 240 gCO2-eq por ciclo de lavagem).32

• Decomposição catalítica de óxido nitroso em processos industriais: O óxido nitroso (N2O) é um potente GEE com um potencial de aquecimento global (GWP) 300 vezes maior que o CO2. Entre 1990 e 2009, as emissões de N2O na produção de ácido adípico diminuíram de 82%, embora os volumes de produção tenham crescido, graças a tecnologias de abatimento de N2O (decomposição térmica e catalítica).

• Aplicações automobilísticas: A maioria dos veículos movidos a gasolina está equipada com um conversor catalítico de três vias que usa uma reação oxidante para converter monóxido de carbono (CO) e hidrocarbonetos não queimados em CO2 e água e uma reação de redução para converter óxidos de nitrogênio (NOx) em nitrogênio e oxigênio. Em motores diesel, um catalisador oxidante de diesel converte CO em CO2 e hidrocarbonetos em água e O2. Embora os conversores catalíticos reduzam eficientemente os poluentes-alvo (CO, hidrocarbonetos e NOx), não reduzem as emissões de CO2 especificamente. Pesquisa recente sugere que os catalisadores poderiam reduzir emissões de metano, que é um forte GEE (R. Gorte, 2012).

• Materiais com propriedades (foto)catalíticas: Vários produtos fotocatalíticos já são comercializados, tais como itens autolimpantes (lâmpadas, revestimentos de automóveis e materiais de construção), materiais antineblina (espelhos e vidros), revestimentos de uso interior e exterior para controle do ar e decomposição de compostos orgânicos voláteis (COVs, ou VOCs na sigla em inglês), etc. Embora essas aplicações não visem diretamente à eficiência energética ou

32 . Usando-se os 158,5 bilhões de ciclos de lavagem estimados por McKinsey (ICCA, McKinsey, 2009), isso resultaria em economias de 38 MtCO2-eq.

Outras áreas relacionadas a processos catalíticos

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ao abatimento de GEE, poderiam ajudar a reduzir o consumo de energia, substituindo soluções que atualmente usam mais energia.

• A combustão catalítica possibilita a combustão completa a temperaturas mais baixas do que é possível de outras maneiras. O processo proporciona a queima de misturas “pobres” de gás, reduzindo dessa maneira as emissões de hidrocarbonetos e de monóxido de carbono do combustível não queimado ou incompletamente queimado. Isso permite que a operação a temperaturas mais baixas tenha emissões de NOx próximas de zero. A combustão catalítica de COVs33 pode baixar a temperatura de combustão de 800°C para a faixa de 200°C a 400°C, evitando a formação de produtos prejudiciais (NOx, CO).

• Redução de metano na mineração de carvão: Globalmente, o setor de mineração de carvão emitiu mais de 377 MtCO2-eq de metano em 2000, o que corresponde a 3,3% das emissões antropogênicas totais de metano. Foram introduzidas tecnologias de oxidação térmica e estão surgindo tecnologias

33. A. Buekens, Thermal and Catalytic Combustion. In: Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS). COBs

catalíticas de oxidação.34 Se a tecnologia de oxidação for aplicada a todos os sistemas de ventilação de minas com concentração superior a 0,15% de metano, cerca de 97% do metano proveniente da mineração de carvão poderiam ser mitigados (EPA, 2006).35

• Conversão de CO2: O CO2 cativo costuma ser reusado internamente em plantas de amônia e metanol (por exemplo Mitsui). A conversão de CO2 em produtos químicos seria termodinamicamente desafiadora e implicaria custos da energia e do hidrogênio necessários para a conversão em produtos úteis. Os resultados da AIE apresentados mostram que a CAC poderia ter certo impacto na indústria química, especialmente se houver disponibilidade de CO2 puro e de baixo custo para ajudar nos esforços de conversão química do CO2. Isso dependerá em grande parte de uma redução das atuais barreiras de custo, já que as fontes de CO2 diluído de craqueadores são opções muito caras.

34 . Best Practice Guidance for Effective Methane Drainage and Use in Coal Mines, UNITED NATIONS Publication, (ECE Ener gy Series, n. 31). New York-Geneva, 2010. ISBN 978-92-1-117018-4.

35. Global Mitigation of Non-CO2 Greenhouse Gases; United States Envirometal Protection Agency, Office of Atmospheric Programs. June 2006.

Outras áreas relacionadas a processos catalíticos


Isso provavelmente representa o cenário do pior caso. Conforme sugere este roadmap, existem muitas oportunidades para melhorar as emissões diretas para além do cenário BAU, e a taxa de GEE evitados pode ser melhorada com inovações adicionais nos produtos e constante substituição de materiais intensivos em

GEE. O estudo ICCA/McKinsey sugeriu que estratégias focalizadas poderiam levar a proporção de abatimento de GEE a ultrapassar 4:1 em 2030.

Emissões evitadas na fase de usoA fim de ter uma visão equilibrada do impacto total da indústria química e dos catalisadores, é importante considerar o impacto dos produtos químicos durante sua fase de uso. Isso pode ser feito pela metodologia da Avaliação de Ciclo de Vida (ACV), que examina rigorosamente os impactos de um produto desde a extração da matéria-prima até a disposição no fim de sua vida. A ACV compara os resultados de produtos quimicamente obtidos com os não quimicamente obtidos que têm função igual ou semelhante.

No setor de embalagem de alimentos, por exemplos, os materiais com base em poliolefinas (filmes, sacos, garrafas, etc.) substituíram muitas aplicações que antes eram supridas por metais, vidro ou papelão. Esses materiais anteriores precisavam de maior quantidade de matéria-prima e mais energia para ser fabricados e resultavam em emissões de GEE mais altas que suas alternativas de plástico. Além disso, o menor peso das embalagens de plástico economiza energia no transporte. Assim, a ACV mostra benefícios

significativos na fase de uso para as embalagens plásticas (mesmo sem considerar o benefício adicional de reduzir a deterioração de alimentos, que por sua vez reduz o uso de energia, água e terra para a agricultura e diminui o volume dos aterros sanitários).

Podem ser identificadas eficiências semelhantes na fase de uso nos setores automobilístico, de saúde e de consumo. Um estudo abrangente de ACV (executado pelo ICCA/McKinsey) de produtos químicos em uma ampla gama de aplicações concluiu que o uso de produtos químicos economiza de 2,1 t a 2,6 t de GEE para cada tonelada de emissões associadas à sua produção (ICCA, 2009). Sobrepondo-se a estimativa mais conservadora (2,1 t de GEE) ao caso de crescimento de emissões diretas em regime de BAU deste roadmap, temos uma visão do possível impacto líquido do crescimento dos produtos químicos sobre as emissões futuras de GEE (Figura 24).

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PONTO CHAVE: Os produtos químicos reduzem as emissões de GEE por meio da substituição de

produtos mais intensivos em GEE.

Aumento direto de GEE no cenário

BAU

Abatimento líquido

Abatimento tipo 3 na fase de uso

Figura 24. Potencial impacto de GEE na fase de uso, utilizando-se o impacto das emissões diretas em BAU deste estudo e a taxa de impacto da McKinsey de 2,1 t de GEE economizadas por tonelada produzida

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A capacidade que a catálise possui de reduzir energia e emissões de GEE de produtos químicos, tanto as diretas quanto as da fase de uso, precisa ser considerada, quando se discutem opções de políticas sobre o tema. A indústria química pode ter um impacto maior ao aplicar seus produtos em aplicações economizadoras de energia do que ao reduzir sua pegada durante a fase de produção. Ambos os caminhos devem ser percorridos, mas o potencial é ainda maior na aplicação dos produtos.

Um forte exemplo da tecnologia catalítica melhorando os atributos de ACV e a sustentabilidade pode ser encontrado no desenvolvimento, na comercialização e no rápido crescimento de poliolefinas baseadas em metalocenos nas últimas duas décadas. Em comparação com catalisadores mais antigos, tais como o Ziegler-Natta, a tecnologia catalítica de metalocenos representou um enorme passo adiante, possibilitando um controle mais exato tanto da composição quanto

da estrutura do polímero, bem como a capacidade de copolimerizar níveis mais altos de comonômeros com etileno para fazer novas composições. Por exemplo, os polietilenos com base em metaloceno têm peso molecular e distribuição de composição mais uniformes, resultando em materiais mais fortes e resistentes e possibilitando o desenvolvimento de filmes mais finos e leves. A copolimerização com alfa-olefinas mais altas permitiu novas famílias de polietilenos de densidade muito baixa (plastômeros), que se revelaram eficazes modificadores de impacto em misturas de polipropileno. Tais misturas (chamadas olefinas termoplásticas ou TPOs) substituíram metais mais pesados e mais intensivos em recursos em muitas aplicações automobilísticas exteriores. Estima-se que uma redução de 10% do peso de um automóvel gera uma economia de combustível de cerca de 7%, o que mostra o impacto energético dessas substituições.

Emissões evitadas na fase de uso


Dentro do setor, os melhoramentos de eficiência energética, o aprimoramento de catalisadores e os retrofits permitindo a instalação de catalisadores mais eficientes podem ser considerados opções “sem chance de arrependimento”. Mesmo assim, precisam competir com outros projetos em um contexto de disponibilidade limitada de capital. Conforme se observou na seção de necessidades de recursos, o setor já investe bilhões de dólares em melhoramentos relacionados à eficiência energética para alcançar a taxa de melhoramento de cerca de 2% ao ano. Uma justificativa de implementação substancialmente maior de melhoramentos (incrementais, BPT) precisaria levar em conta os seguintes pontos que pesam contra ela:

• O custo relativamente alto do capital de modernização versus os modestos retornos na forma de economias de energia, especialmente quando os custos de energia são desconhecidos e podem variar consideravelmente.

• A ineficiência e a perda de receita em razão da parada de processos para a implementação de melhoramentos.

• O investimento em equipamentos já estabelecidos, que estão funcionando bem, versus esperar uma nova construção.

• A concorrência com projetos com um retorno de maior valor.

Políticas de apoio a pesquisa e desenvolvimentoPara se realizarem as metas deste roadmap, é necessário um reavivamento de P&D em catálise para processos de grande volume e grande consumo de energia, o que implica uma substancial injeção de capital a longo prazo. Para se estimular toda a cadeia de inovação – desde o estudo e treinamento na faculdade até a P&D em escala industrial – precisa haver contribuições dos governos, da academia, da indústria, dos fornecedores de equipamentos e de outras partes interessadas. A P&D para tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma deveria inicialmente se concentrar em obter avanços com base em catálise nas seguintes áreas (ver Anexo 7 para mais detalhes):

• Matérias-primas alternativas que são necessárias para a produção de olefinas, aromáticos e seus derivados a partir de gás natural e gás de xisto, bem como outras matérias-primas não convencionais. Será necessário, em várias regiões, um apoio para biocombustíveis com base em matérias-primas renováveis.

• Novas rotas para polímeros, viabilizadas por maior eficiência energética na produção de monômeros e sua polimerização. Ambos são tópicos centrais de P&D de engenharia de catálise e de processo.

Políticas, finanças e colaboração internacional: ações e marcos

Muitas regiões e países adotaram recentemente políticas para reduzir as emissões de fontes industriais. Algumas políticas são voluntárias (por exemplo acordos setoriais voluntários), outras são obrigatórias (por exemplo mecanismos de mercado de emissões); mas, como mostra este roadmap, a redução das emissões requer um arcabouço de políticas mais amplo, que apoie o desenvolvimento, a demonstração e a implementação de tecnologias que serão necessárias. Visto que o desenvolvimento requer esforço dedicado ao longo de décadas, os custos são

altos. Não ocorrerá progresso sem a intervenção ou o estímulo proporcionado por políticas. Além disso, as situações políticas específicas de cada país precisam ser consideradas. Para estimular o desenvolvimento de tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma para processos de HVC intensivos em energia, são necessárias políticas que encorajem a indústria, a academia e os laboratórios nacionais a colaborarem na P&D, focalizando as principais barreiras referentes a desafios de investimento, risco e incerteza (Tabela 7).

Alto custo de capital para substituições, novas construções, retrofits.

Incerteza quanto aos custos futuros de energia.

Proteção da propriedade intelectual.

Financiamento constante de pesquisa de longo prazo para grandes avanços.

Oportunidades competitivas, taxa de retorno em projetos de eficiência energética.

Baixo financiamento para inovações.

Passagem à escala comercial de tecnologias novas e ainda não testadas.

Equilíbrio entre pesquisa de processos convencionais de hidrocarbonetos e novas tecnologias.

Tabela 7. Principais barreiras

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• A produção de hidrogênio a partir de biomassa cultivada ou da exploração de materiais secundários é a primeira prioridade, seguida de perto pelo melhoramento de processos de eletrólise da água, tanto no controle de processo quanto na decomposição da água com novos sistemas catalíticos.

Este roadmap recomenda políticas para:

• Sustentar uma colaboração de P&D de longo prazo (tanto doméstica quanto internacional, entre instituições de pesquisa públicas e privadas e indústria) para tratar das barreiras fundamentais diante dos principais processos necessários para o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma.

• Promover P&D multidisciplinar, por exemplo em fotocatálise e decomposição de água, para a produção de hidrogênio a custo menor e seu uso posterior para produção de amônia e metanol.

• Estimular projetos conjuntos de pesquisa em ciência e engenharia sobre processos catalíticos, tanto no aspecto químico quanto no tecnológico.

Assegurar financiamento, inclusive incentivos em momentos apropriadosÉ necessário um substancial investimento – e maior certeza de investimento – para se alcançarem as metas delineadas neste roadmap. Deverá haver mais inovação em finanças e incentivos, a fim de acelerar os investimentos nas áreas catalíticas de impacto citadas. Isso contribuiria para o melhor equilíbrio entre riscos e benefícios.

O Banco Europeu de Investimento (European Investment Bank – EIB) apoia projetos de P&D e capital, ajudando a financiar (em até 50%) iniciativas que atendam a uma série de critérios, entre eles uma meta de melhoramento de eficiência energética de 20%. As baixas taxas de empréstimo do EIB, sua avaliação AAA e sua capacidade de fazer projetos avançarem poderão trazer benefícios a longo prazo.

Os incentivos para projetos incrementais e de BPT precisam ser aumentados, pois esses projetos locais muitas vezes não têm conseguido atrair investimentos em comparação com outras oportunidades globais. Além disso, os incentivos devem ser graduados, com maior retorno para tecnologias comercialmente atraentes que permitam maior salto na redução do uso de energia ou de emissões de GEE. As tecnologias emergentes, ou tecnologias de mudança de paradigma, devem receber o mais alto nível de apoio, com foco na viabilização de P&D e na primeira demonstração

da tecnologia à medida que melhora a eficiência em termos de custo e escala.

Nos casos em que se usa apoio de investimento ou certificados verdes para cofinanciar BPT, tais medidas idealmente deveriam se restringir a financiar o início da operação, a fim de evitar a interrupções da concorrência ou a dependência de subsídios a longo prazo. Além disso, as políticas de incentivo devem ser tecnologicamente neutras, isto é, devem apoiar investimentos em novas tecnologias sem tentar “escolher” vencedores ou perdedores.

Os incentivos econômicos podem também estimular melhoramentos periódicos de BPT em termos de eficiência energética, bem como o desenvolvimento técnico.


• Eliminar subsídios de energia que funcionem como barreiras para a implantação de tecnologias energeticamente mais eficientes.

• Favorecer incentivos por estágios, que promovem melhoramentos em eficiência energética factíveis hoje, mas que precisam de um empurrão para ser atraentes em face de outras oportunidades. Essa abordagem fornece um encorajamento de longo prazo para a implementação de BPT, transformando-a na melhor opção economicamente; e promove os investimentos futuros em tecnologias emergentes ou tecnologias de mudança de paradigma.

• Estabelecer uma sinalização global de preços de carbono para incentivar todo o setor, e vincular os mercados de carbono a mecanismos que efetivamente levem o setor à adoção de tecnologias mais limpas.

• Evitar custos isolados ou unilaterais.

Políticas para promover colaboração internacional e compartilhamento de dados, informações, melhores práticas e P&DAs reduções totais obtidas por melhoramentos em energia e emissões devem ser visíveis para os fornecedores locais de energia, de maneira a que estimulem tais investimentos por meio de seus próprios incentivos. A implementação de BPT pode ser facilitada, empoderando-se as associações industriais regionais e as industrias para que colaborem com foros ativos para intercâmbio (de maneira compatível com a legislação que rege a concorrência).




• Fortalecer a cooperação internacional para: coletar dados confiáveis sobre energia e emissões de GEE em nível de setor; apoiar o desenvolvimento de políticas eficazes; monitorar o desempenho; e identificar e publicar lacunas de desempenho e BPT regionais e nacionais.

• Fomentar o compartilhamento de políticas de melhores práticas para a promoção da eficiência energética e a redução de emissões de GEE na indústria química.

• Promover a colaboração e o compartilhamento internacional de custos em projetos de P&D.

Políticas de regulamentaçãoA regulamentação da indústria química deve ser bem integrada com o tecido legislativo geral, mas evitando a dupla regulamentação, por exemplo em jurisdições onde já estejam sendo implementadas políticas de redução de emissões de GEE ou de eficiência energética para estimular BPT.

As correspondentes diretrizes e normas precisam ser bem equilibradas, desenvolvidas e atualizadas mediante estreita consulta aos setores envolvidos da indústria. Tais consultas salvaguardam a viabilidade e a competitividade internacional, mas ao mesmo tempo evitam respostas proibitivamente caras ou a perda de retorno de investimentos devido a mudanças na regulamentação.

Este roadmap recomenda políticas que:

• Sejam de longo prazo, a fim de encorajar os desenvolvimentos de tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma, bem como opções de matéria-prima (tais como biomassa).

• Acelerem a aprovação de permissões para projetos de eficiência energética.

• Apoiem sistemas de gerenciamento de energia (tais como ISO 50001), que estimulam as companhias a seguir um plano de melhorias contínuas para a energia.

• Produzam incentivos por estágios, que poderiam significar um incentivo mais alto, se as companhias implementarem e melhorarem BPT (reduzindo a carga energética e ambiental); e encorajariam a participação em P&D de longo prazo para melhorar substancialmente o processo (por exemplo sobre tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma).

Colaboração entre as partes interessadas, inclusive parcerias público-privadasA colaboração internacional desempenha um importante papel na aceleração do progresso tecnológico na fase de demonstração. Precisam ser definidas novas formas de parceria público-privada (PPP) para que os governos, as instituições de P&D, o setor químico e os fornecedores de equipamentos trabalhem juntos para organizar, financiar, filtrar, desenvolver e demonstrar as tecnologias selecionadas dentro de cronogramas mais curtos.

Há um bom exemplo no setor do aço: o projeto Produção de Aço com Ultrabaixa Emissão de CO2 (Ultra-Low CO2 Steelmaking – ULCOS).36 É um consórcio de 48 companhias e organizações europeias, apoiado financeiramente pela Comissão Europeia, que realiza P&D em caráter cooperativo sobre a redução de emissões de CO2 na produção de aço.

As indústrias de processo, incluindo a indústria química na Europa, recentemente propuseram uma PPP europeia dedicada à inovação em eficiência energética nas indústrias de processo e viabilizada por elas próprias.37

Tais associações de indústrias podem ajudar de muitas maneiras, por exemplo desenvolvendo/anunciando uma meta comum, organizando oficinas, sumarizando o progresso e promovendo apoio aos melhores projetos-candidatos. Seria importante haver várias “camadas” de interação, que facilitem a colaboração entre laboratórios governamentais, parceiros acadêmicos, desenvolvedores de tecnologia e entidades financiadoras, para ajudar a alcançar os objetivos (Figura 25). As ONG, os parceiros de sustentabilidade e outras partes interessadas também participariam deste amplo espaço de interação.

36. www.ulcos.org/en/index.php.

37. SPIRE; www.spire2030.eu/.

49

Este roadmap recomenda:

• A criação de parcerias público-privadas que ajudem a minimizar os riscos tecnológicos e financeiros e que ao mesmo tempo fomentem a aceleração da atividade por meio de esforços conjuntos e metas compartilhadas.

• A colaboração governo-indústria dentro da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre a Mudança do Clima (UNFCCC) para explorar os elementos-chave de quadros bem-sucedidos, por exemplo assegurar que o quadro político global efetivamente limite o risco de vazamento de carbono.

• A definição conjunta, por parte do governo e da indústria, de políticas nacionais eficazes. As ações locais e regionais precisam ser orientadas com base em uma boa coordenação com as associações profissionais.

Institutos de

pesquisaParceiros

acadêmicos

Desenvolvedores

de tecnologiaTerceiros

financiadores

Metas de reduçãoEnergiaGEE

PONTO CHAVE: São necessárias várias partes interessadas para alcançar metas de redução de

energia e emissão de GEE.

ICCA e

associações

Refinarias

Licenciadores

Companhias

industriais de gásClientes

Companhias de

engenharia

Fabricantes de

catalisadores


Figura 25. Colaboradores com os laços mais estreitos com o desenvolvimento de catálise e processos relacionados


Este roadmap estabelece marcos que podem ser usados pela comunidade internacional para medir o progresso e avaliar se a indústria química está no caminho certo para alcançar as reduções de emissões necessárias para 2050, a fim de limitar a média global de elevação de

temperatura a 2°C. O roadmap é um documento “vivo”, no sentido de que será atualizado regularmente para refletir os avanços e identificar os ajustes necessários.

Conclusão: ações de curto prazo para as partes interessadas

Principal

parte envolvidaAções

Indústria

Governos

Universidades e

outras instituições

de pesquisa

Instituições

financeiras

Organizações

não governamentais

Identificar as principais oportunidades em catálise.

Tomar a iniciativa de colaborar com a academia e laboratórios governamentais.

Compartilhar as políticas de melhores práticas para a promoção da eficiência

energética e a redução de emissões de GEE.

Acelerar os investimentos de capital e P&D.

Encorajar P&D sobre matérias-primas alternativas e novas rotas catalíticas para

polímeros com menor uso de energia e pegada ambiental; e colaborar em estudos

sobre produção e uso do hidrogênio e sua economia.

Aumentar os incentivos e diminuir as barreiras ao melhoramento da eficiência

energética; estabelecer incentivos por estágios, estimulando o desenvolvimento de

tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma.

Criar quadros de políticas de longo prazo para revigorar a P&D de catalisadores e

processos para processos de alto consumo de energia.

Introduzir políticas para facilitar o uso das melhores práticas onde forem construídas

novas instalações.

Eliminar subsídios à energia e instrumentos de políticas (inclusive esquemas com base

no mercado) que criem uma carga de custos local e que constituam barreiras ao

investimento em tecnologias de eficiência energética.

Estimular pesquisas de laboratório nacionais e acadêmicas sobre processos de grande

volume ou de grande consumo de energia. Fomentar P&D multidisciplinar em áreas que

envolvam matérias-primas alternativas, tais como H (inclusive fotocatálise ou 2

decomposição de água para produção de hidrogênio a custos mais baixos); e o uso de

biocombustíveis, de maneira a diminuir as barreiras econômicas, auxiliar o

desenvolvimento e ajudar a transição para uma escala maior.

Assegurar que esteja em funcionamento uma forte proteção à propriedade intelectual

em países em desenvolvimento, a fim de estimular os líderes globais da indústria a

investir lá e incentivar P&D.

Facilitar parcerias público-privadas que ajudem a minimizar os riscos tecnológicos e

criar opções para aumentar a eficiência energética ou reduzir as emissões de CO2.

Discutir com líderes do setor as principais perspectivas de avanço em pesquisa

fundamental que apresentem um bom retorno sobre o investimento.

Estimular estudantes e pares a realizar projetos de pesquisa em química e engenharia

que reduzam o uso de energia e a pegada de GEE dos processos químicos

industrialmente relevantes.

Promover a flexibilidade na indústria e nas instituições financeiras a fim de apoiar

projetos atraentes e de baixo risco econômico de longo prazo.

Promover a flexibilidade nas parcerias entre indústria e fornecedoras de energia para

economizar energia.

Apoiar as iniciativas do setor para reduzir o uso de energia e as emissões de GEE via

melhoramentos de catálise e processos relacionados.

51

Mais detalhes e recursos para assuntos de várias áreas estão disponíveis nas páginas de internet do ICCA e da AIE em vários anexos. Os tópicos cobertos estão listados a seguir.

Anexo 1: Abordagem dos dados e hipóteses

Anexo 2: Rotas de processo para óxido de propileno

Anexo 3: Potencial teórico

Anexo 4: Opções de melhoramentos

Anexo 5: Opção de hidrogênio

http://iea.org/media/freepublications/technologyroadmaps/TechnologyRoadmapCatalyticProcessesAnnexes.pdf

www.icca-chem.org/en/Home/ICCA-initiatives/Energy--Climate-Change-

www.DECHEMA.de/industrialcatalysis

Anexo 6: Rotas de processo baseadas em biomassa

Anexo 7:. Refinarias

Anexo 8: Descrição dos cenários da AIE e detalhes adicionais

Anexo 9: Necessidades de pesquisa

Anexo 10: Participantes do workshop

Anexos

Anexos


Agência Internacional de Energia (AIE): Organização autônoma que trabalha para assegurar o abastecimento de energia de maneira confiável, acessível e limpa para seus 28 países-membros, bem como para outros. Fundada em função da crise do petróleo de 1973-1974, seu papel inicial era ajudar os países a coordenar uma resposta coletiva às grandes interrupções do suprimento de petróleo por meio da liberação para o mercado de estoques de emergência de petróleo. Embora esse continue a ser um aspecto-chave do trabalho da agência, a AIE evoluiu e se expandiu, abrangendo agora a gama completa de recursos energéticos. Ela está no coração do diálogo global sobre energia, fornecendo pesquisas, estatísticas, análises e recomendações abalizadas e não tendenciosas.

Análise de ciclo de vida (ACV): Avaliação do efeito de dado produto sobre o meio ambiente (por exemplo consumo de energia, emissões de GEE) durante todo seu ciclo de vida.

BAU (“Business as usual”): Cenário em que o atual estado da tecnologia é projetado para o futuro.

Biocatálise: Uso de catalisadores de fontes biológicas, geralmente chamados “enzimas”, para reações químicas.

BTX: Abreviatura e descrição sucinta dos compostos aromáticos benzeno, tolueno e xilenos.

Captura e armazenamento de carbono: Uma série de passos de processo que visa a capturar CO2 dos gases de combustão e transferi-lo para armazenamento em formações geológicas.

Catálise: Um conceito em química pelo qual a velocidade de uma reação em direção a um resultado específico é melhorada usando-se um catalisador. A catálise não é capaz de tornar possíveis reações termodinamicamente impossíveis, nem muda o balanço total de energia das reações; entretanto pode mudar as condições de processo, levando-as a um ambiente tecnicamente mais acessível e trazendo fortes melhoras no rendimento do produto composto desejado.

CO2-eq: Unidade de medida do efeito de aquecimento global de um gás de efeito estufa na atmosfera. 1 tCO2-eq significa que o gás em questão tem o mesmo efeito que se houvesse sido emitida 1 tonelada métrica de CO2.

Cogeração: Geração conjunta de calor e energia na mesma usina, o que traz um forte aumento da eficiência energética geral da planta.

Conselho Internacional de Associações Químicas (ICCA): A voz mundial da indústria química, representando fabricantes químicos de todo o mundo. Corresponde a mais de 75% das operações de fabricação química, com uma produção anual acima de US$ 1,6 trilhão. O ICCA promove e coordena o programa Atuação Responsável (Responsible Care®) e outras iniciativas voluntárias da indústria química. O ICCA tem papel central no intercâmbio internacional de informações dentro do setor e no desenvolvimento de declarações de posição em questões de políticas. É também o principal canal de comunicação entre o setor e várias organizações internacionais voltadas para saúde, meio ambiente e assuntos comerciais, incluindo o Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (Unep), a Organização Mundial do Comércio (OMC) e a Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OECD).

Consumo específico de energia (sigla inglesa SEC): A quantidade de energia, expressa em GJ/t, de que necessita uma planta média para fabricar dado produto.

DECHEMA (Sociedade de Engenharia Química e Biotecnologia): A DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. é uma sociedade científica e técnica sem fins lucrativos com base em Frankfurt, Alemanha. Tem mais de 5.500 membros, privados e institucionais, entre eles cientistas, engenheiros, companhias, organizações e institutos. Uma das metas da DECHEMA é a promoção e o apoio à pesquisa e ao progresso em Tecnologia Química e Biotecnologia. A DECHEMA considera-se uma interface entre a ciência, a economia, o Estado e o público.

Decomposição catalítica: Transformação de compostos termodinamicamente instáveis em outros termodinamicamente mais estáveis com auxílio de catalisadores (por exemplo N2O em N2 e O2).

Economia de encerramento: Uma planta antiga já amortizou seu custo original de investimento de capital. A viabilidade econômica da planta é definida somente por seu custo operacional e, portanto, muitas vezes continua competitiva, embora baseada em tecnologia “não mais no estado da arte”.

Emissões – diretas, indiretas e de processo: As emissões de GEE podem vir de diferentes fontes. As emissões diretas incluem por exemplo aquelas causadas pela queima de combustível para geração de calor. As emissões indiretas são causadas por usinas que produzem a eletricidade necessária para o processo. As emissões de processo são emissões estequiométricas causadas pela reação química na qual o processo se baseia, ou aquelas causadas por superoxidação em um processo químico.

Glossário

53

Especialidades químicas: Uma categoria de produtos químicos de valor relativamente alto, em rápido crescimento, com diversos mercados para o produto final.

Estequiometria: Relação quantitativa entre os vários reagentes e produtos de uma reação química.

Exajoule: Unidade de energia = 1018 Joules.

Fotocatálise: Processos catalíticos que usam a luz como fonte de energia para a reação química.

Gás de síntese (em inglês, syngas): Mistura dos gases CO e H2 gerada pela gaseificação de combustíveis fósseis. A quantidade de hidrogênio na mistura pode ser melhorada, aplicando-se à mistura uma reação shift água-gás, convertendo H2O e CO em H2 e CO2.

Gás de xisto: Gás natural aprisionado dentro de formações rochosas de xisto.

Gases de efeito estufa (GEE): Gases que, liberados na atmosfera, reduzem a radiação infravermelha líquida emitida pela superfície da Terra para o espaço, aumentando assim a temperatura média global da atmosfera. O mais importante GEE na atmosfera terrestre é o CO2. Outros GEE incluem metano, N2O, ozônio e refrigerantes.

Gigajoule: Unidade de energia: 109 Joules.

Integração de calor: Acoplamento eficiente entre fontes e consumidores de calor dentro de um mesmo processo ou entre processos diferentes.

Intensidade de energia: Quantidade de energia necessária para fabricar um produto, expressa na unidade de GJ por tonelada métrica do produto.

Intensidade de GEE: A quantidade de GEE emitida para fabricar dado produto, expressa em CO2-eq por tonelada métrica de produto.

Intensificação de processo: Melhoramentos específicos de determinado processo que levam a grandes saltos de melhoramento na maneira de operar o processo.

Limite termodinâmico: Diferença energética entre reagentes e produtos de uma reação química. É a mínima quantidade de energia necessária para que uma reação química ocorra.

Matéria-prima: Substâncias precursoras de um processo químico. Dentro das cadeias de processo da indústria química, a maioria das matérias-primas origina-se de combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural).

Melhoramento incremental: Todos os melhoramentos executados em uma planta química ou petroquímica durante sua vida operacional que não envolvam grandes retrofits.

Metaloceno: Compostos catalíticos em que o metal cataliticamente ativo é resguardado por compostos aromáticos para torná-lo mais seletivo.

Metanol para olefina (MTO): Processo de produção de etileno e propileno a partir de metanol.

Nafta: Certa fração de refino na destilação do petróleo, contendo uma ampla variedade de compostos. Geralmente a nafta é passada por craqueadores para produzir a maioria dos precursores químicos básicos da cadeia de valor da indústria química.

Polietileno (PE): Composto plástico obtido ligando-se unidades de etileno.

Produtos químicos de alto valor (HVC): Termo geral que descreve os produtos do craqueamento da nafta. Etileno e propileno são os principais produtos, mas os HVC incluem também, por exemplo, butadieno e aromáticos. O termo HVC é também usado no contexto de tecnologias catalíticas de olefinas e tecnologias metanol para olefina.

Produtos químicos de base: Produtos químicos de base ou commodities químicas são uma categoria química ampla que inclui polímeros, petroquímicos a granel e intermediários. São o ponto inicial para uma enorme gama de produtos finais.

Produtos químicos de consumo: Grande grupo de produtos químicos vendidos para o consumidor final, tais como sabões e detergentes, bem como perfumes e cosméticos.

Glossário


Superoxidação: Os processos de oxidação química geralmente visam a um produto específico, que na maioria dos casos práticos pode ainda ser submetido a uma oxidação adicional. Frequentemente não se consegue evitar certo grau de superoxidação do produto desejado, e essa é uma característica inerente ao processo.

Tabelas de contabilização de emissões por uso não energético (NEAT): Método usado para dividir o consumo geral de combustíveis fósseis dos processos químicos em dois tipos de uso: energéticos e não energéticos.

Tecnologia de melhor prática (BPT): As tecnologias de processo energeticamente mais eficientes que estão disponíveis em dado momento. Dentro da projeção, a opção BPT conservadora e a opção BPT otimista representam diferentes taxas de implementação da tecnologia de melhor prática em comparação com a tecnologia média, em plantas novas ou submetidas a retrofit.

Tecnologia de ruptura (game changers): Tecnologias de mudança de paradigma que mudam significativamente o status quo da produção e a cadeia de valor atuais na indústria química e petroquímica.

Tecnologias emergentes: Tecnologias que demonstraram sua viabilidade técnica e têm alto potencial de ser economicamente competitivas em escala industrial.

Vazamento de carbono: É definido como o aumento de emissões de CO2 em um país (A) resultante da redução de emissões em outro país (B) que tem restrições mais rigorosas. Frequentemente reflete o custo vinculado à redução de emissões: à medida que as restrições aumentam os custos de produção no país B, as companhias podem optar por produzir os mesmos bens no país A, onde as restrições menores ajudam a manter baixos os custos.

55

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Este documento e os mapas eventualmente incluídos não pressupõem nenhum status ou soberania sobre nenhum território, nenhuma delimitação de fronteiras

e limites internacionais e nenhum nome de território, cidade ou área.

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Foto da contracapa (grande) © GraphicObsession, © Siemens, © PhotodiscFoto da contracapa (pequeno) © Basf

The IEA, the ICCA and DECHEMA are the authors of the original English version of this Chemicals Catalyst Roadmap; however none of the IEA, the ICCA or DECHEMA take responsibility for the accuracy or

completeness of this Portuguese translation of the Chemicals Catalyst Roadmap, for which the Brazilian Chemical Industry Association is solely responsible.

AIE, ICCA e DECHEMA são os autores da versão original em inglês deste Roadmap de Tecnologia; porém ninguem da AIE, a ICCA ou DECHEMA assumem a responsabilidade pela exatidão ou integralidade desta

tradução para o português do Roadmap de Tecnologia, pelo qual a Associação Brasileira da Indústria Química é o único responsável.

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